张君伟
长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心 ，河北 保定 071000
摘要：随着社会经济的发展，我国电动汽车行业迅速崛起。针对蓄电池单独作为汽车电源不能满足纯电动汽车短时间功率的需求问题，可采用超级电容与双向 DC/DC 串联再与蓄电池并联的复合电源来满足汽车功率的需求。利用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，应用 Cruise 软件快速完成整车模型的搭建，将控制策略添加到整车模型中。仿真结果表明，纯电动汽车复合电源控制策略能够有效地分配蓄电池和超级电容的功率，从而使超级电容充分发挥“削峰填谷”的作用。
关键词：纯电动汽车；复合电源；分配
引言：随着国民经济的发展及消费者购买力的增强，国内汽车保有量持续增加，不仅使社会面临着能源枯竭的威胁，还带来一系列环境问题，如大气污染、水体污染、土壤污染、固态废弃物污染和环境噪声污染等。电动汽车的出现为当代燃油汽车带来的能源与环境污染等严重问题提供了很好的解决途径，电动汽车的发展已然是一种必然的趋势。与传统汽车相同的是，电动汽车的行驶同样需要动力源具有较高的比能量、比功率、循环寿命。蓄电池单独作为汽车的电源时存在充电时间长、比功率低、不能满足汽车短时间功率需求的问题，严重影响汽车的加速、爬坡、制动性能及能量回收效率，不能完全满足汽车对车载电源的要求。为解决上述矛盾，考虑用蓄电池和超级电容储能装置构成复合电源系统，充分发挥蓄电池比能量高、超级电容比功率高的性能优势，扬长避短，使电源同时具备高比功率和高比能量的性能优势。
1复合电源的结构
复合电源主要由蓄电池、超级电容和双向 DC/DC 组成。复合电源的拓扑结构有很多，例如：蓄电池和超级电容直接并联，蓄电池与双向 DC/DC 串联，再与超级电容并联。本文选择的是超级电容与双向DC/DC 串联，再与蓄电池并联共同向负载电机提供电能的方式。复合电源的工作模式为：当汽车正常行驶，需求功率低时，由蓄电池单独向电机供电；当汽车需求功率较高时，蓄电池和超级电容共同给电机供电，并且由蓄电池提供平均功率，超级电容提供峰值功率。当汽车制动时，超级电容优先回收制动能量，在超级电容不能再回收时由蓄电池回收能量。控制策略通过控制双向 DC/DC 的升降压来控制超级电容的充放电。功率总线的功率信息，蓄电池和超级电容 SOC（State of charge）等状态信息为模糊控制器控制的输入，经过控制器对功率进行分配。由于汽车在整个运行过程中会经历多种工况，而且交通状况复杂，汽车状态切换频繁，且各种工况下的电机功率、蓄电池、超级电容的状态都各不相同，需要制定合理的功率分配控制策略，使得在保证整车动力性的前提下，利用超级电容高比功率，能够瞬时大电流充放电的特性，为蓄电池“削峰填谷”，减小大电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命，提高充放电效率，并且最大限度地回收制动能量，提高整车的效率和经济性。
2模糊控制器设计
2.1基本工作原理
模糊控制是以模糊逻辑推理、模糊集理论和模糊语言变量为基础的，从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种控制手段。该方法将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可数学实现的控制器，从而有效控制被控对象。模糊控制系统结构由模糊化接口、知识库、模糊推理、解模糊化接口四部分组成。精确的输入变量经量化后输入模糊化接口，形成模糊的语言变量输入，结合知识库中预先制定的输入输出关系，进行模糊推理得到模糊结论，经解模糊化接口得到精确的控制量，并经过量化得到精确输出。
2.2功率分配策略的模糊控制器设计
由于蓄电池的输出电压以及超级电容经双向DC/DC 变换器调控后的输出电压都与驱动电机的额定电压相近且变化范围很小，所以蓄电池与超级电容之间的输出功率分配可以等效为输出电流分配。选择超级电容输出电流 I uc 作为模糊控制功率分配策略的输出量。复合电源纯电动汽车行驶过程中要保证动力性的要求，同时又要尽量防止蓄电池大电流放电的情况发生，需根据母线电流总需求 I 的大小来分配超级电容的输出电流 I uc ，同时，超级电容 SOC 变化范围也需要充分考虑。因此将母线电流总需求 I 和超级电容 SOC 作为模糊控制功率分配策略的输入量。根据输入量的大小经模糊控制策略分析以后，得到超级电容目标输出电流，通过闭环控制使超级电容经双向DC/DC 变换器斩波升压后的实际输出电流跟随目标电流值，额外部分则由蓄电池补充。
3功率分配策略的制定
3.1复合电源工作在驱动模式
设车辆需求功率为 P req 、蓄电池门限值为 P Batl 、蓄电池输出功率为 P Bat 、超级电容输出功率为 P UC 。车辆加速行驶时，当 P req ≤P Batl ，若 SOC UC ＜ SOC min l 或上一时刻超级电容处于充电状态且 SOC min l ＜ SOC UC ＜SOC max l 时，蓄电池以最大限值输出功率，在满足车辆动力需求的同时给超级电容充电：P Bat = P Batl = P req + P UC
若 SOC UC ≤0． 5，超级电容存储能量仅剩余 25%，超级电容可视为能量耗尽，此时为满足车辆功率需求，车辆需求功率完全由蓄电池提供，该工作情况下蓄电池工作负荷大，在复合电源系统中应尽量避免。
3.2规则库建立
各变量的模糊子集和隶属度函数确定之后，还需要根据对被控对象的物理特性的理解和控制工程经验设计一套合理的控制规则。以蓄电池和超级电容组成的复合电源纯电动汽车，功率分配策略的制定主要考虑以下几方面：（1） 维持超级电容 SOC 在正常范围，使超级电容既能保留一定的能量用以辅助蓄电池大电流供电，又有足够的空间用以储存电动汽车再生制动时回收的电能。低于下限时蓄电池需要对超级电容预充电。（2） 超级电容 SOC 较高时，超级电容放电电流适当加大。（3） 考虑到系统的安全性及可靠性，再生制动过程中预充电功能停止。（4） 整个能量管理的本质是充分实现超级电容的“削峰填谷”的作用，除了电动汽车再生制动过程中回收的部分能量外，整个系统的全部能量还是来源于蓄电池。
结语
用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，使得超级电容充分发挥了提供瞬时功率的作用，避免了蓄电池过充和过放，提高了复合电源系统的循环使用寿命。
参考文献：
[1]王琪，孙玉坤． 一种混合动力汽车复合电源能量管理系统控制策略与优化设计方法研究［J］． 中国电机工程学报，2014，34（增刊） ：195 －203．
[2]宋永华，胡泽春，阳岳希． 电动汽车电池的现状及发展趋势［J］．电网技术，2011，35（4）：1－7．
论文作者:张君伟
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/26
标签：电容论文; 蓄电池论文; 功率论文; 模糊论文; 电源论文; 分配论文; 能量论文; 《防护工程》2018年第13期论文;