李志堅(jiān)，李 駿

(華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)的生產(chǎn)銷(xiāo)售快速增長(zhǎng)，各大車(chē)企紛紛推進(jìn)新能源汽車(chē)戰(zhàn)略。雖然，純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)水平不斷提升，但整車(chē)各項(xiàng)性能表現(xiàn)與市場(chǎng)需求仍存在差距。由于超級(jí)電容和動(dòng)力蓄電池組成的電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合電源能有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，增大續(xù)駛里程，降低成本，因此本文基于MATLAB和ADVISOR探討了一種模糊控制策略的復(fù)合電源電動(dòng)汽車(chē)建模與仿真方法，并以一款微型純電動(dòng)轎車(chē)為例進(jìn)行分析和比較驗(yàn)證。

1 復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)建模

1.1 蓄電池建模

圖1為應(yīng)用MATLAB和ADVISOR建立的蓄電池仿真模型，共有5個(gè)子模塊：模塊1為蓄電池組開(kāi)路電壓和內(nèi)阻計(jì)算模塊；模塊2為電流計(jì)算模塊；模塊3為功率限制模塊，確保電機(jī)功率在合理范圍內(nèi)；模塊4為SOCbat(蓄電池剩余電量百分比)估計(jì)模塊，其功能是依據(jù)蓄電池電流估計(jì)電池實(shí)際SOCbat值；模塊5為蓄電池?zé)崮Ｐ湍K，用于估計(jì)單體動(dòng)力蓄電池內(nèi)部和外部工作溫度，確定蓄電池參數(shù)指標(biāo)。

模塊4中，蓄電池SOCbat值的計(jì)算式為：

(1)

1.2 超級(jí)電容建模

圖2為二次開(kāi)發(fā)后的超級(jí)電容仿真模型，由4個(gè)模塊組成:模塊1為超級(jí)電容開(kāi)路電壓模塊；模塊2為電流計(jì)算模塊；模塊3為功率計(jì)算模塊，模塊4為溫度計(jì)算模塊。

模塊3中，超級(jí)電容SOCcap值的計(jì)算式為：

(2)

其中：SOCcap為超級(jí)電容剩余電量百分比；Qre為超級(jí)電容剩余電量；Ucap、Umax、Umin分別為超級(jí)電容剩余電壓、最高電壓、最低電壓；C為超級(jí)電容容量。

1.3 DC/DC建模

復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)中DC/DC效率轉(zhuǎn)換器建模有兩種方法[1-2]：①根據(jù)實(shí)際電氣模型和數(shù)學(xué)模型搭建DC/DC效率轉(zhuǎn)換器；②根據(jù)DC/DC轉(zhuǎn)換器功率傳遞效率建模。本文采用第2種方法建模，建立的雙向DC/DC效率轉(zhuǎn)換器仿真模型如圖3所示。

2 復(fù)合電源控制策略建模

2.1 控制策略選擇

復(fù)合電源控制策略是在滿足整車(chē)動(dòng)力性要求和正常行駛前提下，合理分配超級(jí)電容和蓄電池的輸入、輸出功率，并最大限度地回收制動(dòng)能源，提高行駛里程，延長(zhǎng)復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)使用壽命。制定復(fù)合電源控制策略時(shí)應(yīng)遵循以下原則[3]：

(1) 根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際情況，合理分配驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)的需求功率，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)需要大功率時(shí)，蓄電池承擔(dān)大部分功率需求，額外功率需求由超級(jí)電容提供。

(2) 制動(dòng)過(guò)程中，主要由超級(jí)電容回收制動(dòng)產(chǎn)生的能量，蓄電池輔助超級(jí)電容回收制動(dòng)能量，避免蓄電池回收電流過(guò)大對(duì)電池造成損害，當(dāng)蓄電池SOCbat值較低時(shí)，優(yōu)先給蓄電池充電。

復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)控制策略主要有：模糊控制策略、基于邏輯門(mén)限控制策略、基于車(chē)速功率分配策略等?；诳刂颇繕?biāo)的考慮[4]，本文研究選取模糊邏輯控制策略。

圖1 建立的蓄電池仿真模型

圖2 二次開(kāi)發(fā)后的超級(jí)電容仿真模型

圖3 雙向DC/DC效率轉(zhuǎn)換器仿真模型

模糊控制包括驅(qū)動(dòng)控制器和制動(dòng)控制器，輸入變量為電機(jī)需求功率Preq、蓄電池提供功率Pbat和超級(jí)電容提供功率Pcap；單輸出變量為超級(jí)電容功率分配因子Kuc。其中制動(dòng)控制器沒(méi)有電機(jī)需求功率的輸入。4變量之間存在如下關(guān)系：

Kuc=Pbat/Preq.

(3)

Pbat=Preq-Pcap=Preq(1-Kuc).

(4)

2.2 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

因?yàn)镻bat和Pcap需要考慮其SOC狀態(tài)，故本文變量為Preq、SOCbat、SOCcap、Kuc。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定模糊集合分別為：Preq={TS S M B TB}，表示為{較小 小 中 大 較大}；SOCbat={L M H}，表示為{低 中 高}；SOCcap={L M H}，表示為{低 中 高}；Kuc={TS S M B TB}，表示為{較小 小 中 大 較大}。驅(qū)動(dòng)隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則如圖4和表1所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)隸屬度函數(shù)圖

KucPreqTSSNBTBSOCbat(SOCcap=L)LTSTSSSSMTSSSSSHSSMMBSOCbat(SOCcap=M)LTSSSSMMTSTSSMBHTSSSMBSOCbat(SOCcap=H)LTSTSSMBMTSSSBTBHTSTSSMB

2.3 制動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

制動(dòng)控制的輸入、輸出變量設(shè)計(jì)過(guò)程與驅(qū)動(dòng)控制相似，其隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則如圖5和表2所示。

根據(jù)上述模糊控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到的仿真模型如圖6所示。

將復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型(如圖7所示)、控制策略嵌入ADVISOR頂層模型,再與傳動(dòng)模塊組合，即為復(fù)合電源整車(chē)仿真模型。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真對(duì)象

現(xiàn)針對(duì)一款微型電動(dòng)轎車(chē)進(jìn)行仿真分析，在原車(chē)輛參數(shù)的基礎(chǔ)上為其選配了展梟公司CLQ1100S1B超級(jí)電容。整車(chē)主要參數(shù)如表3所示。

圖5 制動(dòng)隸屬度函數(shù)圖

KucPreqTLLMHSOCbatLBMSTSMMBSTSHBBMM

圖6 模糊策略仿真模型

3.2 整車(chē)性能仿真

選取NEDC循環(huán)工況，分別進(jìn)行了單一電源模型和本文所構(gòu)建復(fù)合電源模型的仿真分析。仿真結(jié)果如表4所示。

從表4可知，仿真計(jì)算結(jié)果與車(chē)輛實(shí)際數(shù)據(jù)吻合，且復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)整車(chē)性能優(yōu)于單一電源動(dòng)力系統(tǒng)，說(shuō)明所構(gòu)建的復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)模型正確、有效，仿真結(jié)果真實(shí)、可信。

3.3 復(fù)合電源工作狀態(tài)仿真和分析

國(guó)內(nèi)循環(huán)工況是依據(jù)歐洲NEDC循環(huán)工況測(cè)試而來(lái)，本文選取NEDC循環(huán)工況對(duì)復(fù)合電源和單電源蓄電池的電流進(jìn)行比較分析。

圖7 復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

圖8為NEDC工況下復(fù)合電源與單電源仿真結(jié)果對(duì)比。由圖8可知：1 100 s左右復(fù)合電源電動(dòng)汽車(chē)需求功率達(dá)到最大值，單電源蓄電池最大電流接近150 A，復(fù)合電源蓄電池電流為100 A左右，此時(shí)超級(jí)電容與蓄電池共同提供峰值功率；1 180 s左右單電源回收電流接近50 A，復(fù)合電源為5 A左右，超級(jí)電容回收電流接近30 A，避免較大回收電流對(duì)蓄電池沖擊。說(shuō)明加入超級(jí)電容起到削峰填谷作用和保護(hù)蓄電池作用。

表3 復(fù)合電源汽車(chē)整車(chē)主要參數(shù)

表4 單電源與復(fù)合電源仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了基于模糊控制的復(fù)合電源電動(dòng)汽車(chē)仿真模型，針對(duì)某款微型電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

(1) 所構(gòu)建的模型和所設(shè)計(jì)的模糊控制策略真實(shí)、有效。復(fù)合電源動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)能夠滿足整車(chē)行駛工況的要求。

(2) 所設(shè)計(jì)的模糊控制策略能夠更有效地回收制動(dòng)能量，避免較大回收電流對(duì)蓄電池造成損害，同時(shí)在電機(jī)需求功率較大時(shí)，超級(jí)電容提供一定功率，提高了能源利用率。

(3) 加入超級(jí)電容能夠起到削峰填谷的作用，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命并增加單次充電續(xù)航里程。

圖8 NEDC工況下復(fù)合電源與單電源的電流仿真對(duì)比