姚堤照，謝長(zhǎng)君，曾 甜，黃 亮

（武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430070）

前言

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)廠商和研發(fā)機(jī)構(gòu)加快對(duì)清潔能源汽車(chē)的研究。純電動(dòng)汽車(chē)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)領(lǐng)域得到大力推廣。目前，阻礙電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的兩個(gè)重要因素是續(xù)航里程和電池循環(huán)壽命。針對(duì)這些不足，動(dòng)力電池、超級(jí)電容和雙向DC／DC變換器的復(fù)合能源系統(tǒng)被提出，超級(jí)電容具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，與鋰電池的高能量密度實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)延長(zhǎng)動(dòng)力電池循環(huán)壽命，提高制動(dòng)能量的回饋效率和整車(chē)?yán)m(xù)航里程具有重要意義［1-3］。

目前混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)常見(jiàn)的能量管理策略分為3類(lèi)：基于簡(jiǎn)化模型或邏輯規(guī)則的策略，基于模糊控制和預(yù)測(cè)控制等智能控制方法的策略，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃與極小值原理等動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法的策略［4-7］。上述方法中基于模糊控制的智能方法以其適應(yīng)性強(qiáng)、控制效果明顯等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。考慮單一的控制方式無(wú)法較好適應(yīng)汽車(chē)復(fù)雜工況，多個(gè)控制器的組合調(diào)節(jié)多個(gè)參數(shù)可提高控制器的智能性，能夠更好適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)。其中，文獻(xiàn)［8］中提出了基于粒子群優(yōu)化的模糊控制器，解決了動(dòng)力系統(tǒng)能量分配問(wèn)題，但僅能通過(guò)離線求解優(yōu)化，不能在線更新隸屬函數(shù)，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜變化的運(yùn)行工況；文獻(xiàn)［9］中提出了自適應(yīng)PI模糊控制，利用超級(jí)電容起到“削峰填谷”的作用，但控制過(guò)程嚴(yán)重依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，不具有普適性；文獻(xiàn)［10］中提出了基于優(yōu)化模糊規(guī)則的功率分配因子控制算法，取得了較好的控制效果，但優(yōu)化過(guò)程過(guò)于依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，且單一模糊控制存在適應(yīng)性問(wèn)題。

多種控制方式的組合可提高控制器的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，但也使控制策略變得更復(fù)雜。因此，組合控制的成員算法應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制效果理想的特點(diǎn)。經(jīng)分析，本文中提出了基于模糊方波調(diào)制的聯(lián)合控制策略，以簡(jiǎn)單智能的算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)的能量高效分配。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)選定

電動(dòng)車(chē)復(fù)合能源動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類(lèi)繁多［11］，其中超級(jí)電容與雙向DC／DC變換器串聯(lián)后的結(jié)構(gòu)與電池組并聯(lián)，再連接到功率母線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到理論研究中。因此本文中采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文中以某小型電動(dòng)汽車(chē)為原型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，整車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 整車(chē)參數(shù)

根據(jù)整車(chē)參數(shù)，可計(jì)算得到整車(chē)最大驅(qū)動(dòng)功率為12.19 kW，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為58.2 N·m，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 577.6 r／min。選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架參數(shù)表

根據(jù)電機(jī)額定電壓和額定功率確定直流母線電壓等級(jí)為70 V，電池組最大輸出電流為107 A，因此選取中航鋰電40 A·h磷酸鋰鐵作為動(dòng)力電池，其標(biāo)稱(chēng)電壓為3.4 V，最大放電倍率為3C，由22塊單體串聯(lián)成組。超級(jí)電容模組由兩組48.6 V／165 F商用Maxwell超級(jí)電容模塊并聯(lián)，再與8 kW雙向DC／DC串聯(lián)組成作為輔助能量源。臺(tái)架具體參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

2 能量管理控制器設(shè)計(jì)

在復(fù)合能源動(dòng)力系統(tǒng)中，主要通過(guò)雙向DC／DC來(lái)調(diào)節(jié)超級(jí)電容輸出功率，使鋰電池工作在合適的輸出范圍內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，電池的充放電倍率與工作溫度是影響電池壽命的兩大因素，因此超級(jí)電容的調(diào)節(jié)原則可分為兩類(lèi)：（1）超級(jí)電容承擔(dān)需求功率的高頻部分；（2）超級(jí)電容抵消需求功率的高幅值部分?？紤]到通信延時(shí)和雙向DC／DC響應(yīng)時(shí)間，超級(jí)電容承擔(dān)需求功率的高頻部分時(shí)存在控制實(shí)時(shí)性問(wèn)題，因此本文中以超級(jí)電容承擔(dān)需求功率的高幅值部分為調(diào)節(jié)原則，將鋰電池放電倍率控制在1C以?xún)?nèi)（根據(jù)表2計(jì)算，鋰電池組充放電功率≤2500 W，下面電流倍率將用電池輸出功率來(lái)描述），減少在鋰電池內(nèi)阻上的損耗，延長(zhǎng)電池組壽命?？紤]到單一模糊控制器的適應(yīng)性問(wèn)題，本文中的研究采用基于功率分配因子模糊控制算法與簡(jiǎn)單的模糊方波調(diào)節(jié)控制算法聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)兩種控制方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于模糊方波調(diào)制的聯(lián)合控制器結(jié)構(gòu)

2.1 模糊方波調(diào)節(jié)控制器設(shè)計(jì)

方波調(diào)節(jié)控制遵循“削峰填谷”的控制原則，可作以下設(shè)定：

當(dāng)需求功率Pre＞0，設(shè)鋰電池輸出功率為一定值Pbat0，可得超級(jí)電容輸出功率為

則鋰電池輸出功率可被調(diào)制成限幅方波，本文中稱(chēng)此為方波調(diào)節(jié)控制。然而，當(dāng)系統(tǒng)頻繁運(yùn)行在Pre±Δ=Pbat0時(shí)（Δ為雙向DC／DC允許啟動(dòng)功率），會(huì)造成超級(jí)電容輸出功率Puc在充放電之間震蕩，雙向DC／DC過(guò)于頻繁切換，縮短使用壽命。為解決此問(wèn)題，本文中根據(jù)需求功率大小在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鋰電池輸出功率Pbat0，從而消除Puc在±Δ之間震蕩。同時(shí)，為減少雙向DC／DC的啟動(dòng)頻率，根據(jù)本文中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)需做以下限制：

為實(shí)現(xiàn)Pbat0可在一定范圍內(nèi)合理變化，本文中選用模糊控制方式調(diào)節(jié)Pbat0，并稱(chēng)此為模糊方波調(diào)節(jié)控制器。選擇關(guān)鍵參數(shù)需求功率Pre和超級(jí)電容SOCuc作為控制器輸入，鋰電池輸出功率Pbat0作為控制器輸出，并將需求功率Pre、超級(jí)電容SOCuc和鋰電池輸出功率Pbat0在其論域上分別分成7個(gè)子集、3個(gè)子集和7個(gè)子集，設(shè)計(jì)了21條控制規(guī)則，各變量隸屬函數(shù)如圖3所示，控制規(guī)則如表3所示，模糊控制規(guī)則的表面示意圖如圖4所示。

圖3 模糊方波控制各變量隸屬函數(shù)

2.2 功率分配因子模糊控制器設(shè)計(jì)

功率分配因子模糊控制是復(fù)合能源系統(tǒng)中常用的控制方法。設(shè)鋰電池與超級(jí)電容之間功率分配因子分別為Kbat和Kuc，在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鋰電池組輸出功率Pbat1與超級(jí)電容功率Puc分配滿足以下關(guān)系：

表3 模糊方波控制規(guī)則

圖4 方波調(diào)節(jié)模糊控制器表面規(guī)則圖

負(fù)載需求功率Pre、鋰電池組SOCbat和超級(jí)電容SOCuc三者是功率分配因子的重要影響因素，因此本文中將Pre，SOCbat，SOCuc作為功率分配模糊控制器的輸入，將鋰電池功率分配因子Kbat作為控制器輸出。將Pre，SOCbat，SOCuc在其論域上分別分成7個(gè)子集、3個(gè)子集、3個(gè)子集，輸出Kbat在其論域上分成7個(gè)子集，設(shè)置了63個(gè)控制規(guī)則，各個(gè)變量隸屬函數(shù)如圖5所示，控制規(guī)則如表4所示，控制器表面控制規(guī)則如圖6所示。

2.3 基于模糊方波的聯(lián)合控制器設(shè)計(jì)

圖5 功率分配因子模糊控制各變量隸屬函數(shù)

從圖4與圖6可發(fā)現(xiàn)，兩種模糊控制策略具有完全不一樣的特性：（1）功率分配因子模糊控制策略在功率變化時(shí)，分配因子變化較大，在功率快速變化的工況下可較好抑制鋰電池功率的上升速率，但缺少超級(jí)電容充電工況，不利于調(diào)節(jié)超級(jí)電容電壓；（2）方波調(diào)節(jié)模糊控制策略在所有工況下基本維持鋰電池輸出功率在一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)，具有較好的限幅能力，方波調(diào)節(jié)模糊控制存在超級(jí)電容充電工況，可調(diào)節(jié)超級(jí)電容電壓，使其處于良好的工作電壓區(qū)間，但在需求功率快速變化的工況下，可能因雙向DC／DC響應(yīng)不及時(shí)造成鋰電池輸出功率產(chǎn)生較高幅值尖峰。

對(duì)于超級(jí)電容＋雙向DC／DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅有一個(gè)控制對(duì)象超級(jí)電容，即控制器只有一個(gè)輸出，在超級(jí)電容電壓允許的范圍內(nèi)，降低鋰電池輸出功率是其核心控制思路。本文中設(shè)計(jì)的聯(lián)合控制器采用最簡(jiǎn)單的組合方式：擇優(yōu)輸出，兩個(gè)子控制器中當(dāng)前時(shí)刻超級(jí)電容輸出功率最大的一個(gè)則作為聯(lián)合控制控制的輸出。將模糊方波調(diào)節(jié)器輸出Pbat0和功率分配因子模糊控制器Kbat作以下處理：

表4 功率分配因子模糊控制規(guī)則

圖6 功率分配因子模糊控制器表面規(guī)則圖

式中：IDC為雙向DC的給定電流；ULi為鋰電池組電壓；Uuc為超級(jí)電容端電壓。

3 仿真與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)建模

結(jié)合第1章的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架實(shí)際參數(shù)，本文中采用MATLAB下的Simulink仿真環(huán)境搭建系統(tǒng)模型。負(fù)載模型由實(shí)驗(yàn)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際負(fù)載數(shù)據(jù)組成（母線電壓、電流，電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速）；以效率為95%、變比為母線電壓與超級(jí)電容端電壓之商的理想變壓器為雙向DC／DC模型；以鋰電池的Rint模型作為鋰電池模型（本文中實(shí)驗(yàn)用電池組采用實(shí)驗(yàn)室恒溫空調(diào)和機(jī)箱自然風(fēng)冷，溫度在30±5℃內(nèi)變化，因此可理想設(shè)定溫度為不影響因素，暫不建立熱模型），具體模型如式（7）～式（12）所示。

式中：Uoc為電池組開(kāi)路電壓；Cmax為電池組最大容量；fV（SOCbat）與fR（SOCbat）均為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)高次擬合的多項(xiàng)式。

以線性電源和超級(jí)電容內(nèi)阻R1串聯(lián)的Rint模型作為超級(jí)電容模型，其具體模型如式（13）～式（17）所示。

式中：Umax為超級(jí)電容最大工作電壓；Umin為超級(jí)電容截止放電電壓；f（Iuc）為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)高次擬合的多項(xiàng)式；Qmax為超級(jí)電容最大可用容量；C為超級(jí)電容容值；Uoc為超級(jí)電容開(kāi)路電壓；Uuc為超級(jí)電容端電壓。

在MATLAB的Fuzzy Logic模糊邏輯工具箱中生成控制器模糊規(guī)則嵌入Simulink仿真環(huán)境的Fuzzy模塊中，結(jié)合第2章中組合單元的設(shè)計(jì)，組成能量管理控制器。仿真系統(tǒng)如圖7所示。

3.2 控制器功率分配性能對(duì)比

圖7 系統(tǒng)仿真

3種控制策略中，模糊方波控制缺少鋰電池SOC這一輸入變量，因此本文中設(shè)定鋰電池SOC初始值為0.6，超級(jí)電容SOC為1，在此前提下對(duì)比3種策略的性能表現(xiàn)。首先對(duì)比在5個(gè)ECE循環(huán)工況下的性能，仿真時(shí)間為985 s，步長(zhǎng)為0.01 s。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 ECE工況下模糊方波調(diào)節(jié)控制

圖10 ECE工況下基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制

在ECE工況下，3種控制策略性能表現(xiàn)有較大差異：（1）模糊方波調(diào)節(jié)控制在需求功率變化較大時(shí)（如圖8中仿真時(shí)間為530 s的區(qū)間），不能及時(shí)抑制鋰電池輸出功率上升趨勢(shì)，其他兩種控制策略對(duì)于需求功率上升率較大的情況均有較好的表現(xiàn)；（2）功率分配因子模糊控制在需求功率幅值Pre＞3000 W時(shí)，不能很好抑制鋰電池輸出功率的上升，會(huì)有瞬間超過(guò)2 500 W（1C放電）的情況，另兩種控制策略均可在任意情況下把鋰電池輸出功率限制在2 000 W以?xún)?nèi)；（3）基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，并且加入了超級(jí)電容補(bǔ)電功能可以保持超級(jí)電容較好狀態(tài)，在整個(gè)循環(huán)工況下，鋰電池輸出功率可限制到1 900 W以?xún)?nèi)，保證鋰電池工作在更好的工況下。

為進(jìn)一步對(duì)比3種控制器策略的性能差異，使用更為復(fù)雜的UDDS工況進(jìn)行仿真分析，具體結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 UDDS工況下模糊方波調(diào)節(jié)控制

圖12 UDDS工況下功率分配因子模糊控制

圖13 UDDS工況下基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制

UDDS工況的極限情況出現(xiàn)在仿真時(shí)間150～250 s之間，這段區(qū)間內(nèi)需求功率幅值變化率較大，模糊方波調(diào)節(jié)控制策略在此區(qū)間內(nèi)把鋰電池組輸出功率完全控制在2 000 W以下，有利于減少鋰電池的衰減；功率分配因子模糊控制下鋰電池輸出功率在此區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)大于3 000 W的情況，并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，加快鋰電池衰減速度，而在250 s后，由于需求功率幅值相對(duì)較小，功率分配因子模糊控制對(duì)鋰電池輸出功率限幅能力比模糊方波調(diào)節(jié)控制表現(xiàn)得更好；對(duì)于基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制在整個(gè)UDDS工況下，把鋰電池輸出功率基本保持在2 000 W左右且通過(guò)超級(jí)電容完全吸收回饋能量，既維持了超級(jí)電容處在較好的輸出狀態(tài)，使鋰電池處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，還大大減小電池的時(shí)安累積，從而降低電池衰減。

另外，基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略能夠根據(jù)鋰電池SOC自動(dòng)調(diào)整鋰電池最大輸出功率，對(duì)鋰電池SOC為0.6，0.3時(shí)的控制效果對(duì)比分析，以UDDS工況為例，鋰電池輸出功率和超級(jí)電容輸出功率分別如圖14和圖15所示，超級(jí)電容SOC的變化曲線如圖16所示。

圖14 鋰電池SOC不同時(shí)鋰電池輸出功率對(duì)比

圖15 鋰電池SOC不同時(shí)超級(jí)電容輸出功率對(duì)比

圖16 鋰電池SOC不同時(shí)超級(jí)電容SOC變化對(duì)比

在鋰電池SOC下降時(shí)，圖15和圖16充分反映了基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略會(huì)進(jìn)一步限制鋰電池的輸出功率，增大超級(jí)電容輸出功率，減少因鋰電池SOC低時(shí)內(nèi)阻增大而產(chǎn)生的焦耳熱，便于電池組熱管理系統(tǒng)控制電池溫度，使電池工作在適溫條件，降低電池衰減速度。

3.3 不同控制策略下的鋰電池衰減率對(duì)比

為更加科學(xué)細(xì)化地衡量3種控制策略的性能，本文中引入電池衰減率作為一項(xiàng)對(duì)比指標(biāo)（僅考慮電池衰減，超級(jí)電容衰減率極小，不作考慮），通過(guò)用SOH的減少量來(lái)表示，記作Qloss。通過(guò)引用文獻(xiàn)［11］中辨識(shí)后的Arrhenius模型作為磷酸鐵鋰電池的衰減模型，具體模型如式（18）所示。

式中：C_Rate為電池充放電倍率；R為氣體常數(shù)，取8.314 J／（mol·K）；Tbat為電池溫度，K，由于本文中電池組所處實(shí)驗(yàn)條件基本可恒溫在30±5℃，因此取30℃作為定值；Ah為電池電流的時(shí)安積分，A·h。根據(jù)電池?fù)p傷累積理論，可將式（18）轉(zhuǎn)換為

由式（19）分別計(jì)算3種控制策略在5個(gè)ECE工況后和1個(gè)UDDS工況后的鋰電池組衰減率。具體結(jié)果如表5所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略，在兩種工況下，鋰電池衰減率均為最低。對(duì)比模糊方波調(diào)節(jié)控制策略，在ECE工況下，衰減率下降2.29%，在UDDS工況下，下降15.21%；對(duì)比功率分配因子模糊控制策略，在ECE工況下，衰減率下降5.4%，在UDDS工況下，下降16.58%。可見(jiàn)基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制結(jié)合了各個(gè)組合成員的優(yōu)點(diǎn)，可更好地提高控制性能。

表5 不同控制策略下的鋰電池衰減率對(duì)比

3.4 能耗與使用成本對(duì)比

考慮到雙向DC／DC的效率（本文中取效率值為0.95）問(wèn)題，若超級(jí)電容經(jīng)常需要鋰電池補(bǔ)充能量會(huì)存在較高能量損耗，降低汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，因此控制策略必須保證在超級(jí)電容能耗較小的情況下達(dá)到控制目的。在本文的設(shè)計(jì)中，超級(jí)電容盡量通過(guò)制動(dòng)回饋充電。

分別對(duì)比3種控制策略在ECE工況和UDDS工況下鋰電池組和超級(jí)電容總能量消耗情況，如表6所示。

表6 能耗數(shù)據(jù)

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略在兩種工況下，能耗均高于其余兩種控制策略，在ECE工況下，對(duì)比模糊方波調(diào)節(jié)控制器，能耗增加1.52%，對(duì)比功率分配因子模糊控制，能耗增加1.31%；在UDDS工況下，對(duì)比模糊方波調(diào)節(jié)控制器，能耗增加0.7%，對(duì)比功率分配因子模糊控制，能耗增加1.03%。這也驗(yàn)證了降低能耗與降低電池衰減率是一對(duì)矛盾目標(biāo)。

為此，本文中采用使用成本來(lái)衡量能耗與電池衰減率這對(duì)目標(biāo)的優(yōu)劣，使用成本=能耗成本＋電池衰減成本。本文中以某40 A·h磷酸鐵鋰電池單價(jià)為340元／塊、市價(jià)電費(fèi)0.58元／（kW·h）、充電效率為0.9計(jì)算得到3種控制策略在不同工況下的使用成本，如表7所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略在兩種工況下，使用成本均為最低。對(duì)比模糊方波調(diào)節(jié)控制，在ECE工況下，使用成本基本一樣，在UDDS工況下，下降1.92%；對(duì)比功率分配因子模糊控制策略，在ECE工況下，使用成本下降0.38%，在UDDS工況下，下降2.15%。

表7 系統(tǒng)使用成本

通過(guò)以上一系列的對(duì)比，相對(duì)于單一模糊控制策略，基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略具有更好的控制性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文中提出的改進(jìn)控制算法的可行性，需在實(shí)際硬件平臺(tái)復(fù)現(xiàn)仿真結(jié)果，因此需搭建硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

3.5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

本文中的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)使用測(cè)功電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別模擬電動(dòng)汽車(chē)的道路狀況和汽車(chē)動(dòng)力，如圖17所示。圖中工控機(jī)1相當(dāng)于電動(dòng)汽車(chē)中的整車(chē)控制器，控制整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)；工控機(jī)2為路況模擬機(jī)，用于控制三相異步電機(jī)和變頻器，實(shí)現(xiàn)路況模擬。臺(tái)架實(shí)物如圖18所示。

3.6 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖18 臺(tái)架實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架工控機(jī)1的控制軟件中嵌入基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略，分別在ECE和UDDS工況下進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)初始條件作預(yù)先設(shè)定，鋰電池初始SOC分別為0.6，0.3，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)原因超級(jí)電容初始SOC最高為0.8。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到Simulink中繪制出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖19～圖23所示，功耗與電池估計(jì)衰減率如表8所示。

圖19 電池SOC為0.6時(shí)ECE工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖20 電池SOC為0.6時(shí)UDDS工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，在ECE工況下，實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，由于實(shí)際臺(tái)架的雙向DC／DC存在響應(yīng)延時(shí)和超調(diào)等問(wèn)題，在回饋制動(dòng)初始階段，存在超級(jí)電容吸收能量大于制動(dòng)回饋能量，出現(xiàn)短暫的電池放電；在UDDS工況下，也由于同樣原因，在150～250 s的時(shí)間內(nèi)，需求功率變化劇烈，超級(jí)電容處于過(guò)度輸出狀態(tài)，但整體基本符合仿真結(jié)果。

圖21 電池SOC不同時(shí)鋰電池輸出功率對(duì)比

圖22 電池SOC不同時(shí)超級(jí)電容輸出功率對(duì)比

圖23 電池SOC不同時(shí)超級(jí)電容SOC變化對(duì)比

表8 實(shí)驗(yàn)功耗與電池衰減數(shù)據(jù)

由表8可見(jiàn)，在兩種工況下，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)功耗與電池衰減率估計(jì)值均大于表6和表7中的仿真數(shù)據(jù)，但相差并不大，在ECE和UDDS工況下使用成本較仿真結(jié)果分別增加了3.51%和6.26%。這反映出仿真對(duì)雙向DC／DC建模存在不足，其效率95%僅是平均值，可是實(shí)際使用功率區(qū)間內(nèi)，效率會(huì)低于平均值，導(dǎo)致電池時(shí)安積分增大且功耗上升，雙向DC／DC實(shí)際性能是造成實(shí)際與仿真不一致的主要原因之一。

對(duì)比UDDS工況下鋰電池SOC為0.6和0.3時(shí)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩種情況下鋰電池輸出功率和超級(jí)電容輸出功率分別如圖21和圖22所示，超級(jí)電容SOC變化如圖23所示。

從圖21～圖23 3個(gè)維度對(duì)比，可驗(yàn)證基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中鋰電池SOC不同時(shí)也可取得與仿真基本一致的性能。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真對(duì)比，本文中把控制效果較為明顯的基于模糊方波調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略成功嵌入到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中，并得到了較好的控制效果，在能量損耗與電池衰減速度之間找到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)，降低了系統(tǒng)使用成本，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)期望的效果。但是由于在仿真模型中沒(méi)有考慮到系統(tǒng)的通信延時(shí)問(wèn)題以及雙向DC／DC的實(shí)際模型問(wèn)題，造成實(shí)際實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)與仿真結(jié)果不太符合的地方。在今后進(jìn)一步的研究中將會(huì)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和仿真模型優(yōu)化問(wèn)題。