陳國鈞，黃明宇，張 政 ，王 冰

（1.南通科技職業(yè)學(xué)院，南通 江蘇 226007；2.南通大學(xué) 機械工程學(xué)院，南通 江蘇 226019）

1 引言

以氫燃料電池與蓄電池（或超級電容）為動力的電動汽車動力總成已經(jīng)成為汽車行業(yè)里的又一研發(fā)熱點，其中動力系統(tǒng)的控制是研究的一個核心問題。因為，隨著動力源的增加，將增加汽車電子控制核心（Electronic Control Unit，ECU）的復(fù)雜性，特別是其中功率控制單元（Power Control Unit）的功率控制策略。對于車輛來說，ECU就是其大腦，用來接收傳感器反饋的車輛信息和駕駛員的操作命令，進而向汽車的反饋執(zhí)行單元（例如DC-DC、動力源等）發(fā)出指令，控制策略的好壞將直接影響整車的動力性、節(jié)能性、舒適性等，因此，需要研究合理的能量控制策略，以達到汽車控制策略的最優(yōu)化，找到混合動力汽車最佳的工作狀態(tài)。要實現(xiàn)能量分配，就需要對ECU進行一系列的開發(fā)，傳統(tǒng)的ECU控制開發(fā)需要反復(fù)地進行上層算法仿真和下層代碼的編寫過程，這種方法存在開發(fā)效率低，工作量巨大，容易出現(xiàn)錯誤并且不易于排查的問題，而且隨著汽車以及其控制產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快，對應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)周期勢必要縮短，因此，傳統(tǒng)ECU控制開發(fā)的方法將無法滿足需求[1-3]，這時就需要使用新的控制策略研究方法，而Simulink模塊就可以完成這種快速的控制策略仿真。Simulink是MATLAB軟件非常關(guān)鍵的組件之一，它提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在這一環(huán)境中，不需要手動書寫程序（不再像傳統(tǒng)直接編寫程序那樣需要手動編寫），取而代之的是通過簡單直觀的鼠標(biāo)點擊模塊操作，就能夠搭建出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)范圍廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，也憑借上述優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計之中[4]。

以氫電混動車型的功率分配策略為研究對象，對其存在的缺陷進行分析和優(yōu)化，通過Simulink搭建功率分配策略的模型，選定多組測試數(shù)據(jù)，根據(jù)控制策略計算出理論輸出值，然后通過自定義信號發(fā)生器將選定的數(shù)據(jù)輸入到搭建的功率分配模型中進行計算，對輸出數(shù)據(jù)進行分析，驗證設(shè)計控制策略的合理性。

2 控制策略優(yōu)化

2.1 缺陷分析

對于模型的搭建，利用ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）軟件中自帶的Fuel Cell Vehicle車型，在該車型車輛頂層模型中，fuel cell control strategy（燃料電池控制策略）和power bus（功率總線）模塊共同實現(xiàn)了功率的分配，但是，該模型在蓄電池保護模塊和燃料電池輸出功率限制模塊存在明顯的缺陷：在功率總線power_bus中，其ess_on的值為固定值“1”，即蓄電池為常開狀態(tài)，這樣，在遇到車輛負荷超過FC能夠提供的功率的情況，需要蓄電池提供輔助功率時，即使蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）低于最低安全值時，電池仍會放電，直至SOC為0，這就容易造成過放；同樣，當(dāng)車輛在制動或減速時，蓄電池會回收能量，若此時蓄電池的荷電狀態(tài)過大，難免會造成蓄電池過充，上述兩種情況均會大大減少蓄電池的工作壽命；燃料電池的使用應(yīng)考慮到利用效率的問題，即盡可能的讓燃料電池工作在高效率區(qū)間，通過分析燃料電池控制模塊中的“FCpwr command，w/limitsenforced”子模塊，當(dāng)車輛需求功率大于蓄電池能夠提供的最大功率時或者蓄電池SOC小于cs_lo_soc時，Switch模塊將下路接通，若此時輸入口3，即燃料電池功率需求值大于所設(shè)定的cs_max_pwr值，并沒有經(jīng)過計算最大最小模塊（MinMax1）進行限制，燃料電池輸出的功率將會大于設(shè)定的最大值，以上這些情況的出現(xiàn)都與控制策略相悖，而且使燃料電池工作在低效率區(qū)間，加大了氫氣的消耗量，不利于節(jié)省燃料[5-7]。

2.2 控制策略優(yōu)化

圖1 優(yōu)化后的功率總線模塊與電池控制策略模塊圖Fig.1 Optimized Power Bus Module and the Battery Control Strategy Module Diagram

經(jīng)過上述分析可知，需要優(yōu)化設(shè)計的控制方案，以改善控制方式，以達到保護蓄電池和節(jié)省燃料的目的。對于蓄電池保護模塊的優(yōu)化設(shè)計，主要是限制蓄電池的充放電，使其在一些特定狀態(tài)下停止工作，這里的特定狀態(tài)包括當(dāng)電池荷電狀態(tài)小于最低工作狀態(tài)值（即SOCmin，選定為0.3）時還要求蓄電池放電，或者荷電狀態(tài)大于最高工作狀態(tài)值（SOCmax，選定為0.9）時還對電池進行充電，優(yōu)化后的模型框圖，如圖1（a）所示。黑色方框中的內(nèi)容即為限定的狀態(tài)，其代替了原模塊中的ess_on；對于燃料電池控制模塊的優(yōu)化設(shè)計，主要是限制最大功率輸出，優(yōu)化后的模型框圖，如圖1（b）所示。黑色方框中的內(nèi)容為增加的功率限制模塊，對最大功率的輸出進行限制，以免出現(xiàn)超負荷工作。

3 控制策略仿真模型搭建

3.1 模型搭建

為單獨研究功率分配策略，以上述優(yōu)化后的各個模塊為基礎(chǔ)，搭建控制策略仿真模型?，F(xiàn)通過Matlab/simulink新建空白文件，復(fù)制優(yōu)化后的功率總線和燃料電池（fuel cell，F(xiàn)C）控制策略中的內(nèi)容，并進行適當(dāng)?shù)男薷模?/p>

（1）將通過控制策略設(shè)定的參數(shù)，即一些常量輸入模塊Constant中的變量（例如：限制蓄電池最佳工作區(qū)間下限的cs_lo_soc等）設(shè)定為常數(shù)；

（2）將有關(guān)聯(lián)的輸入（In）輸出（Out）端口直接相連；

（3）將系統(tǒng)輸入?yún)?shù)功率需求值和電池SOC值由上級傳輸改為波形輸入，即在信號輸入的地方連接兩個signal builder（自定義信號發(fā)生器）；

（4）在能體現(xiàn)燃料電池和蓄電池功率輸出的地方添加可以顯示波形的示波器模塊（Scope），以顯示功率輸出情況。

修改搭建后的控制策略驗證模型，如圖2所示。并將其命名為strategy_verification，通過將該模塊與fuelcellcontrolstrategy和power bus模塊對比可知：圖中左上區(qū)域為fuel cell control strategy模塊修改而來，其余部分，為power bus模塊修改而來。其中，打開FCpwr command子系統(tǒng)，可以看到體現(xiàn)修改內(nèi)容（1）的地方，方框內(nèi)Constant的原內(nèi)容為cs_lo_soc，現(xiàn)改為其實際代表的值0.4；體現(xiàn)修改內(nèi)容（2）的地方，是將power bus模塊中2、3兩個輸入直接與其上級輸出相連。這里的舉例均是選取個別進行說明，并不不代表全部修改內(nèi)容[8]，其他修改項與以上類似不再贅述。

圖2 搭建的控制策略仿真模型Fig.2 Control Strategy Simulation Model

3.2 數(shù)據(jù)輸入

一般在車輛頂層模型中，運行控制策略時所接收的數(shù)據(jù)是由上級模塊傳輸進來的，而對于搭建的控制策略仿真模型，由于無法接收外部的數(shù)據(jù)，因此需要在其原接收數(shù)據(jù)的位置進行錄入數(shù)據(jù)操作，即在名為power req’d和SOC的兩個signal builder模塊中輸入不同的功率需求值和荷電狀態(tài)值，所輸入的數(shù)據(jù)，如表1所示。表中的輸出數(shù)值是根據(jù)理論控制策略計算得到的，表中：PFC—燃料電池功率輸出；Pess—蓄電池功率輸出；Pout—提供給車輛的功率，該數(shù)據(jù)用來與仿真結(jié)果進行對比分析。

表1 多組數(shù)據(jù)輸入輸出情況Tab.1 Multi Group Data Input and Output

圖3 需要輸入的源數(shù)據(jù)與輸入的波形圖Fig.3 The Source Data and Input Waveform which to be Entered

通過對所要輸入的數(shù)據(jù)分析可知：數(shù)據(jù)為離散形式的，每一組數(shù)據(jù)（功率需求值和SOC值）都有固定的對應(yīng)關(guān)系。因此，只需要給每組數(shù)據(jù)賦予一定的維持時間（定為2s），并將所有數(shù)據(jù)放到一起，便可變成階梯圖的形式，只要保證每組的兩個數(shù)據(jù)處于同一時間區(qū)間，其對應(yīng)關(guān)系便不會被破壞，因此，采用波形輸入，利用MATLAB/simulink中sources模型庫中的signal builder（自定義信號發(fā)生器）輸入波形信號，對于數(shù)據(jù)的編輯，采用導(dǎo)入法，此種方法相較于普通的手動編輯法，不需要手動改變參數(shù)的范圍和編輯數(shù)據(jù)坐標(biāo)點。首先將需要輸入的數(shù)據(jù)輸入到Excel表格中，將第一行的輸入命名為參數(shù)名稱，例如time和pwr req’d（第一列必須為時間）等，時間列要按照遞增的方式排列，輸入好的功率需求數(shù)據(jù)圖標(biāo)，如圖3（a）所示。點擊signal builder的參數(shù)設(shè)置界面菜單欄file，在下拉列表中點擊Import fromfile，在彈出的界面上點擊Browse，選擇要輸入數(shù)據(jù)的xls文件，導(dǎo)入即可[10]。導(dǎo)入數(shù)據(jù)后所顯示的的波形圖為如階梯狀波形圖，其梯度與所屬輸入的梯度有關(guān)結(jié)果，如圖3（b）所示。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

（1）打開上述在Simulink已建好的strategy_verification.mdl模型，點擊模型設(shè)置菜單按鈕。

（2）點擊左側(cè)列表中的Solver，在Solver目錄下進行相關(guān)參數(shù)設(shè)置：

①時間：起始時間為0，結(jié)束時間為28s（根據(jù)前文輸入數(shù)據(jù)的時長）；

②求解器的設(shè)置：Type：Fixed-step（定步長模式）；Solver：discrete（離散模式）；

Fixed-step size（定步長）：用來設(shè)定仿真的步長，可根據(jù)數(shù)據(jù)的時間間隔進行設(shè)定，采用的輸入數(shù)據(jù)的時間間隔為2s。若設(shè)定步長太大，例如為0.5s，仿真后得到的波形圖會出現(xiàn)明顯的變化梯度，如圖4所示。最終步長定為0.02。

將上述條件設(shè)置好后，點擊Run按鈕便可運行模型。

圖4 仿真步長不合適的結(jié)果圖Fig.4 The Result of Simulation Step Size is not Suitable

4.2 仿真結(jié)果分析

模型運行結(jié)束后，點擊三個示波器模塊，即圖3中的pwrsupplyby FC，pwrsupplybyess，pwrout。查看仿真結(jié)果，如圖 5、圖 6 所示。其中，燃料電池FC輸出功率值，如圖5（a）所示。蓄電池ESS輸出功率值，如圖5（b）所示。可以提供至電動機的總功率值，如圖6所示。通過對比各時間段功率值與表1對應(yīng)時間段的功率值，可以看出，采用改進后的模型，仿真結(jié)果和理論分析情況完全吻合。

圖5 燃料電池與蓄電池輸出功率圖Fig.5 Fuel Cell and Battery Output Power Diagram

圖6 總輸出仿真結(jié)果Fig.6 Total Output Simulation Results

5 結(jié)束語

在燃料電池車型頂層模型的基礎(chǔ)上，分析其存在的缺陷并進行了優(yōu)化，搭建了功率分配控制策略框圖，選定多組實驗數(shù)據(jù)，通過搭建的控制策略對選定的實驗數(shù)據(jù)進行仿真計算，將仿真結(jié)果與理論值進行比較分析。（1）利用Simulink搭建功率分配策略框圖，通過輸入特定情況的數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出，分析控制策略的合理性，快速驗證了制定的控制策略，縮短了開發(fā)周期，對于控制系統(tǒng)的開發(fā)有著很深的意義；（2）分析了原有控制策略存在的缺陷，并針對性的進行了優(yōu)化，有利于減少對蓄電池的損害，增加使用壽命，提高燃料利用率，減少資源浪費；（3）可將相應(yīng)方法用于車輛控制系統(tǒng)的研發(fā)，對于汽車行業(yè)的控制策略的快速研究發(fā)展有著一定的促進作用。