李剛 林豪 徐榮霞 吳青青

摘? 要： 以超級(jí)電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)再與蓄電池并聯(lián)的復(fù)合電源為研究對(duì)象，提出一種邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合電源功率分配控制策略。首先利用Matlab/Simulink軟件建立復(fù)合電源功率分配控制策略模塊;然后運(yùn)用ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，搭建純電動(dòng)汽車整車仿真模型;最后結(jié)合城市道路驅(qū)動(dòng)工況進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，基于該控制策略的復(fù)合電源能夠有效地節(jié)省蓄電池的電量，延長(zhǎng)復(fù)合電源的工作壽命，純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程明顯提升。

關(guān)鍵詞： 純電動(dòng)汽車; 復(fù)合電源功率分配; 整車仿真模型; 邏輯門(mén)限控制; 模糊控制; 二次開(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)： TN99?34; U464.142? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）03?0100?04

Research on power distribution control strategy for compound power supply

of pure electric vehicle

LI Gang， LIN Hao， XU Rongxia， WU Qingqing

（MOE Key Laboratory of Conveyance and Equipment， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： A power distribution control strategy of compound power supply combining logic threshold control and fuzzy control is proposed. In this paper， the compound power supply （the super?capacitor is connected with bi?directional DC/DC converter in series and then connected with accumulator in parallel） is taken as the research object. Firstly， the Matlab/SIMULINK software is used to build the power distribution control strategy module of compound power supply. Then， the ADVISOR software is used for secondary development to construct the vehicle simulation model for the pure electric vehicle （PEV）. Finally， the simulation analysis is made on the basis of driving conditions of urban roads. The results show that the compound power supply on the basis of the control strategy can effectively save the accumulator power， prolong the service life of the compound power supply， and significantly improve the power performance and total mileage of the pure electric vehicle.

Keywords： pure electric vehicle; power distribution of compound power supply; vehicle simulation model; logic threshold control; fuzzy control; secondary development

0? 引? 言

純電動(dòng)汽車（Pure Electric Vehicle， PEV）作為一種節(jié)能和環(huán)保的新能源汽車越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并且得到了發(fā)展，但尚未形成規(guī)模，究其根源，蓄電池電量續(xù)航能力是制約純電動(dòng)汽車進(jìn)一步普及的重要因素之一[1]。在純電動(dòng)汽車處于起步、低速、巡航、加速、爬坡、制動(dòng)等復(fù)雜情況下，由于蓄電池比功率偏小，強(qiáng)電流充放電會(huì)大幅度降低蓄電池的工作壽命[2]。超級(jí)電容是最近幾年隨著新電極材料的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一種具有超強(qiáng)放電能力，能提供強(qiáng)大脈沖功率的物理二次電源。但其能量密度低，不能維持長(zhǎng)時(shí)間充放電，因此不適合作為單一儲(chǔ)能裝置使用[3]。

蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源可作為純電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置[4]。兩者之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可獲得較高的比功率和比能量，能夠滿足純電動(dòng)汽車在不同工況下對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的雙重需求[5]。所以如何有效分配蓄電池和超級(jí)電容之間的輸出功率成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前復(fù)合電源功率分配控制策略應(yīng)用相對(duì)成熟的有邏輯門(mén)限控制策略和模糊控制策略，但兩者都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)[6]。邏輯門(mén)限控制策略操作簡(jiǎn)便但對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的限制較多;模糊控制策略魯棒性較強(qiáng)但控制精度較差。因此，本文以蓄電池?超級(jí)電容復(fù)合電源純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，首先提出了一種邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合電源功率分配控制策略;然后利用ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，搭建純電動(dòng)汽車整車仿真模型;最后結(jié)合城市道路驅(qū)動(dòng)工況對(duì)復(fù)合電源純電動(dòng)汽車進(jìn)行數(shù)值仿真分析，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

1? 復(fù)合電源結(jié)構(gòu)

選取合適的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，不僅影響蓄電池和超級(jí)電容功率分配控制策略的效果，而且影響整車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的發(fā)揮。綜合考慮，本文選擇的復(fù)合電源是以超級(jí)電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)，再與蓄電池并聯(lián)的方式構(gòu)成。其中，蓄電池是主要供能裝置;超級(jí)電容是輔助供能裝置;DC/DC變換器的作用是平衡超級(jí)電容和蓄電池兩端電壓，更好地發(fā)揮復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 復(fù)合電源功率分配控制策略

純電動(dòng)汽車在行駛的過(guò)程中有多種復(fù)雜多變的工況，不同工況下，其復(fù)合電源的需求功率也不同。這就要求復(fù)合電源功率分配控制策略能夠在不同行駛工況下，能夠準(zhǔn)確地辨別出何種工作狀態(tài)，進(jìn)而分配蓄電池和超級(jí)電容的存儲(chǔ)能量。一般情況下，在純電動(dòng)汽車處于低速、巡航狀態(tài)時(shí)，其需求能量偏低，可由蓄電池單獨(dú)提供純電動(dòng)汽車所需的能量;在純電動(dòng)汽車處于起步、加速、爬坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，其需求能量偏高，此時(shí)可由蓄電池和超級(jí)電容共同作用提供純電動(dòng)汽車行駛所需的能量;在純電動(dòng)汽車處于減速，制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可采用超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，其余能量由蓄電池存儲(chǔ)的模式[7]。

復(fù)合電源功率分配控制策略的主要目的就是在保證純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能的前提下，節(jié)省蓄電池的電量，提高純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，延長(zhǎng)復(fù)合電源的工作壽命[8]。因此，本文提出一種邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合電源功率分配控制策略，該策略可以在不同的工況下合理切換，更好地發(fā)揮復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)，對(duì)純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能起到優(yōu)化作用。

2.1? 邏輯門(mén)限控制策略

在純電動(dòng)汽車減速、制動(dòng)工況下，其復(fù)合電源處于能量回收狀態(tài)，需要盡可能快地回收制動(dòng)能量?？紤]到純電動(dòng)汽車制動(dòng)安全性能，蓄電池在強(qiáng)電流下易遭受損壞、充電時(shí)間長(zhǎng)和超級(jí)電容充電時(shí)間短及可以吸收強(qiáng)電流等因素，而且此工況下的制動(dòng)所需功率相對(duì)驅(qū)動(dòng)工況下所需能量明顯要低，因此，只需要根據(jù)超級(jí)電容SOC值衡量制動(dòng)能量是否可以由超級(jí)電容單獨(dú)回收。由于邏輯門(mén)限控制（Logic Threshold Control，LTC）策略具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以在純電動(dòng)汽車減速、制動(dòng)工況下，選擇邏輯門(mén)限控制策略單獨(dú)來(lái)管理分配復(fù)合電源的功率，邏輯門(mén)限控制策略設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2中，[Preq]為純電動(dòng)汽車需求功率;SOCuc為超級(jí)電容SOC值;SOCuc_max為超級(jí)電容SOC飽和值，這里取0.999;[Puc]為超級(jí)電容輸出功率;[Pbat]為蓄電池輸出功率。

邏輯門(mén)限控制策略控制規(guī)則如下：當(dāng)超級(jí)電容SOC值接近其飽和值時(shí)，為了避免超級(jí)電容因長(zhǎng)時(shí)間處于充電狀態(tài)而遭受到損害，則停止利用超級(jí)電容回收制動(dòng)能量，剩余的回收能量在電路中消耗掉。

2.2? 模糊控制策略

在純電動(dòng)汽車加速、巡航、爬坡等復(fù)雜多變的工況下，此時(shí)純電動(dòng)汽車所需要的驅(qū)動(dòng)力較大，需要復(fù)合電源輸出較高的能量。邏輯門(mén)限控制策略除了具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)外，其在復(fù)雜環(huán)境下相關(guān)參數(shù)不能精確計(jì)算，導(dǎo)致控制效果差強(qiáng)人意。因此，需要一種多維度的精確控制策略。文獻(xiàn)[9]利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略進(jìn)行復(fù)合電源功率分配;文獻(xiàn)[10]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法控制策略進(jìn)行復(fù)合電源功率分配;文獻(xiàn)[11]通過(guò)考慮行駛工況和再生制動(dòng)，提出復(fù)合電源功率分配策略。模糊控制策略將相關(guān)參數(shù)模糊化，當(dāng)其參數(shù)值接近或者遠(yuǎn)離門(mén)限值時(shí)，控制系統(tǒng)能夠靈活、實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出信號(hào)。最終確定模糊控制策略在加速、巡航、爬坡等工況下進(jìn)行功率分配。

模糊控制（Fuzzy Control，F(xiàn)C）是以模糊邏輯推理、模糊集理論和模糊語(yǔ)言變量為基礎(chǔ)，根據(jù)人們長(zhǎng)期累積的經(jīng)驗(yàn)制定相應(yīng)規(guī)則，是模擬人們對(duì)事物的模糊推理和決策的一種控制方法[12]。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊推理、解模糊接口四部分[13]，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

利用Matlab軟件中提供的模糊控制工具箱，設(shè)計(jì)了對(duì)于復(fù)合電源功率分配的三輸入、單輸出的模糊控制器。其中，三個(gè)輸入?yún)?shù)分別為：純電動(dòng)汽車需求功率[Preq]，其論域?yàn)閇0，1]，模糊集為{S，MS，M，MB，B}，分別表示{小、較小、中、較大、大};蓄電池SOC值SOCb，其論域?yàn)閇0.2，0.9]，模糊集為{S，M，B}，分別表示{小、中、大};超級(jí)電容SOC值SOCuc，其論域?yàn)閇0.2，0.9]，模糊集為{S，M，B}，分別表示{小、中、大}。輸出參數(shù)為超級(jí)電容功率分配因子[Kuc]，其論域?yàn)閇0，1]，模糊集為{S，MS，M，MB，B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。圖4為各個(gè)變量的隸屬度函數(shù)。

模糊規(guī)則如下所示：

根據(jù)三個(gè)輸入?yún)?shù)對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，再經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，可歸納出在復(fù)合電源功率分配控制過(guò)程需要注意以下幾點(diǎn)原則：

1） 在純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，其所需要的輸出功率處于輸出功率極限值的一半或一半以下時(shí)，應(yīng)該盡可能避免超級(jí)電容長(zhǎng)時(shí)間處于放電狀態(tài)，需讓超級(jí)電容存儲(chǔ)能量，為下一次輸出高功率做準(zhǔn)備。

2） 在純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，其所需要的瞬時(shí)輸出功率較高時(shí)，應(yīng)該盡可能允許超級(jí)電容來(lái)提供高功率，避免蓄電池受到強(qiáng)電流的損害。

3） 在純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中，如果超級(jí)電容電流較低無(wú)法提供輸出功率時(shí)，應(yīng)該允許蓄電池替代超級(jí)電容放電，使純電動(dòng)汽車處于正常工作狀態(tài)。

對(duì)于所提出的邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合電源功率分配控制策略，在Matlab/Simulink仿真軟件下建立復(fù)合電源功率分配控制仿真模型，如圖5所示。

3? 仿真試驗(yàn)

3.1? 仿真車輛參數(shù)

復(fù)合電源性能參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)車輛參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2? 建立整車仿真模型

將復(fù)合電源功率分配控制策略模塊導(dǎo)入到ADVISOR軟件中，在原有頂層模型上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，加入復(fù)合電源模塊，搭建出純電動(dòng)汽車整車仿真模型。圖6為純電動(dòng)汽車整車仿真模型，圖中紅色方框?yàn)閺?fù)合電源模塊，包括蓄電池、超級(jí)電容、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器和所提出的功率分配控制策略。

3.3? 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證復(fù)合電源功率分配控制策略的有效性，本文采用城市道路驅(qū)動(dòng)工況（CYC_UDDS循環(huán)工況），對(duì)ADVISOR軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)搭建的純電動(dòng)汽車整車模型進(jìn)行仿真分析。圖7為城市道路驅(qū)動(dòng)工況速度曲線。

圖8為復(fù)合電源中蓄電池和超級(jí)電容電流變化曲線。由圖8可知，復(fù)合電源中蓄電池電流變化較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)較大的峰值電流;而超級(jí)電容的波動(dòng)峰值稍微高于蓄電池的波動(dòng)峰值。這說(shuō)明了在純電動(dòng)汽車處于正常行駛工況時(shí)，超級(jí)電容能夠優(yōu)先提供較大輸出功率，同時(shí)也優(yōu)先回收制動(dòng)能量，避免了蓄電池提供或者回收較高的能量，減少了蓄電池的損害，延長(zhǎng)了蓄電池的工作壽命。從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的復(fù)合電源功率分配控制策略是有效的。

圖9為復(fù)合電源蓄電池與超級(jí)電容SOC值變化曲線。由圖9可知，超級(jí)電容的充放電頻率較高，其SOC值變化相對(duì)較大;而蓄電池的SOC值的變化相對(duì)較小。純電動(dòng)汽車起步時(shí)，超級(jí)電容優(yōu)先大電流放電;純電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，這與圖9的變化趨勢(shì)是相吻合的。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的復(fù)合電源功率分配控制策略的有效性，在相同的仿真環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比分析。分別計(jì)算出復(fù)合電源單獨(dú)采用邏輯門(mén)限控制進(jìn)行功率分配、復(fù)合電源單獨(dú)采用模糊控制進(jìn)行功率分配以及復(fù)合電源采用邏輯門(mén)限控制和模糊控制相結(jié)合進(jìn)行功率分配下的SOC值。

圖10為不同控制策略下復(fù)合電源中蓄電池SOC值變化曲線。由圖10可知，這三種策略對(duì)復(fù)合電源中蓄電池的節(jié)省電量程度，本文所提出的控制策略是最好的;模糊控制策略次之;而邏輯門(mén)限控制策略是最差的，從而驗(yàn)證了本文所提出的功率分配控制策略是有效的。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文以超級(jí)電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)再與蓄電池并聯(lián)復(fù)合電源為研究對(duì)象，提出一種邏輯門(mén)限控制與模糊控制相結(jié)合的功率分配控制策略。運(yùn)用ADVISOR軟件搭建了純電動(dòng)汽車整車仿真模型，并結(jié)合城市道路驅(qū)動(dòng)工況進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在該控制策略下，超級(jí)電容“削峰填谷”的效果明顯，減少了強(qiáng)電流對(duì)蓄電池的損害，延長(zhǎng)了復(fù)合電源的工作壽命;而且所提出的功率分配控制策略相比邏輯門(mén)限控制策略和模糊控制策略，該控制策略能夠有效地節(jié)省蓄電池電量，發(fā)揮復(fù)合電源的優(yōu)勢(shì)。

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