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《黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第5期

摘要:

針對(duì)蓄電池單獨(dú)作為汽車電源不能滿足純電動(dòng)汽車短時(shí)間功率的需求問題，可采用超級(jí)電容與雙向DC/DC串聯(lián)再與蓄電池并聯(lián)的復(fù)合電源來滿足汽車功率的需求。利用模糊控制工具箱設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)合電源功率分配的模糊控制器，搭建整車復(fù)合電源控制策略模塊，應(yīng)用Cruise軟件快速完成整車模型的搭建，將控制策略添加到整車模型中。仿真結(jié)果表明，純電動(dòng)汽車復(fù)合電源控制策略能夠有效地分配蓄電池和超級(jí)電容的功率，從而使超級(jí)電容充分發(fā)揮“削峰填谷”的作用。

關(guān)鍵詞:

純電動(dòng)汽車;復(fù)合電源;模糊控制;聯(lián)合仿真

0引言

動(dòng)力汽車要求其車載電源具有充放電功率大、充放電效率高、使用壽命長(zhǎng)、容量衰減小等特點(diǎn)［1－2］。而蓄電池單獨(dú)作為汽車的電源時(shí)存在充電時(shí)間長(zhǎng)、比功率太低，不能滿足汽車短時(shí)間功率需求問題，嚴(yán)重影響汽車的加速、爬坡、制動(dòng)性能及能量回收效率，不能完全滿足汽車對(duì)車載電源的要求［3－5］。超級(jí)電容充放電迅速，可瞬間大電流充放電，充放電能力比蓄電池要高100多倍，動(dòng)態(tài)特性很好，循環(huán)壽命在10萬次左右［6－7］。一種新的汽車電源是將超級(jí)電容與蓄電池結(jié)合起來使用，由蓄電池提供整車運(yùn)行期間電機(jī)需求的平均電功率，而超級(jí)電容則提供電機(jī)需求的峰值功率，這樣可以充分發(fā)揮蓄電池比能量大和超級(jí)電容比功率高的優(yōu)點(diǎn)［8］。針對(duì)超級(jí)電容和蓄電池構(gòu)成的復(fù)合電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配是關(guān)鍵。模糊控制利用人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和推理技術(shù)及控制系統(tǒng)提供的狀態(tài)條件信息，不依賴物理過程的精確數(shù)學(xué)模型，具有較好的魯棒性，控制性能高，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的控制問題［9－12］。Cruise是研究汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性及制動(dòng)性能的高級(jí)模擬分析軟件，靈活的模塊化理念使得Cruise可對(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真［13］。本文采用Cruise/Simulink聯(lián)合仿真的形式，在基于傳統(tǒng)電動(dòng)車模型的基礎(chǔ)上，添加超級(jí)電容模型和雙向DC/DC模型，利用Cruise搭建整車模型，在Matlab/Simulink中設(shè)計(jì)了針對(duì)復(fù)合電源的模糊控制策略，將控制參數(shù)進(jìn)行模糊化處理，并通過MatlabDLL方式進(jìn)行聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)復(fù)合電源功率的合理分配，并對(duì)模糊控制策略和整車性能進(jìn)行研究分析。

1復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)

復(fù)合電源主要由蓄電池、超級(jí)電容和雙向DC/DC組成。復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，例如:蓄電池和超級(jí)電容直接并聯(lián)，蓄電池與雙向DC/DC串聯(lián)，再與超級(jí)電容并聯(lián)［14－15］。本文選擇的是超級(jí)電容與雙向DC/DC串聯(lián)，再與蓄電池并聯(lián)共同向負(fù)載電機(jī)提供電能的方式。復(fù)合電源的工作模式為:當(dāng)汽車正常行駛，需求功率低時(shí)，由蓄電池單獨(dú)向電機(jī)供電;當(dāng)汽車需求功率較高時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容共同給電機(jī)供電，并且由蓄電池提供平均功率，超級(jí)電容提供峰值功率。當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容優(yōu)先回收制動(dòng)能量，在超級(jí)電容不能再回收時(shí)由蓄電池回收能量。控制策略通過控制雙向DC/DC的升降壓來控制超級(jí)電容的充放電。復(fù)合電源組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。功率總線的功率信息，蓄電池和超級(jí)電容SOC(Stateofcharge)等狀態(tài)信息為模糊控制器控制的輸入，經(jīng)過控制器對(duì)功率進(jìn)行分配。由于汽車在整個(gè)運(yùn)行過程中會(huì)經(jīng)歷多種工況，而且交通狀況復(fù)雜，汽車狀態(tài)切換頻繁，且各種工況下的電機(jī)功率、蓄電池、超級(jí)電容的狀態(tài)都各不相同，需要制定合理的功率分配控制策略，使得在保證整車動(dòng)力性的前提下，利用超級(jí)電容高比功率，能夠瞬時(shí)大電流充放電的特性，為蓄電池“削峰填谷”，減小大電流對(duì)蓄電池的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高充放電效率，并且最大限度地回收制動(dòng)能量，提高整車的效率和經(jīng)濟(jì)性［16－18］。

2模糊控制策略模型

利用Matlab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，輸入為汽車的需求功率Preq，蓄電池荷電狀態(tài)BSOC，超級(jí)電容荷電狀態(tài)SSOC。輸出為蓄電池功率分配因子(Kcap)。汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有電動(dòng)和發(fā)電兩種工作模式，在這兩種工作模式下系統(tǒng)需求功率大小和波動(dòng)范圍有較大差別，控制的側(cè)重點(diǎn)也不同［19］。因此，在正常行駛與制動(dòng)兩種工作模式下應(yīng)分別制定復(fù)合電源控制策略，即需要兩個(gè)模糊控制器，它們的模糊控制規(guī)則不同，但是兩個(gè)模糊控制器都是三輸入單輸出且輸入變量和輸出變量相同。因此，在Preq＞0和Preq＜0時(shí)各設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，分別為模糊控制器A和模糊控制器B。當(dāng)Preq＞0時(shí)，設(shè)輸入量Preq的論域?yàn)椋?4］，模糊集為{S、MS、M、MB、B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。動(dòng)力電池BSOC的論域?yàn)椋?．20．9］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}，超級(jí)電容SSOC的論域?yàn)椋?．11］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}。輸出量為動(dòng)力電池功率分配因子Kcap，其論域?yàn)椋?1］，模糊集{S、MS、M、MB、B}，分別表示{小、較小、中、較大、大}。各輸入結(jié)果如圖2所示。當(dāng)Preq＜0時(shí)，設(shè)輸入量Preq的論域?yàn)椋郏?0］，模糊集為{B、M、S}，分別表示{大、中、小}。蓄電池和超級(jí)電容的SOC論域、模糊集、隸屬度函數(shù)和Preq＞0時(shí)是一樣的。輸出量為蓄電池功率分配因子Kcap，其論域?yàn)椋?1］，模糊集{S、M、B}，分別表示{小、中、大}，輸入輸出量的隸屬函數(shù)如圖3所示。根據(jù)前面設(shè)計(jì)的模糊控制器，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立復(fù)合電源模糊控制策略模型如圖4所示，模糊控制器根據(jù)輸入變量的變化調(diào)節(jié)輸出比例因子Kcap，從而得出蓄電池所分配的功率，因?yàn)槠嚨男枨蠊β视尚铍姵睾统?jí)電容共同提供，所以汽車需求功率減去蓄電池所分配功率得到超級(jí)電容分配功率。

3整車模型的搭建

將建好的控制策略添加到Cruise中主要有MatlabDLL和MatlabAPI兩種方法。聯(lián)合仿真的結(jié)果都可以直接從Cruise獲得。但是用MatlabDLL方法仿真的時(shí)間比采用MatlabAPI方式短很多。因此，本論文中采用的是MatlabDLL方式。在控制策略模型建好之后，需要進(jìn)行模型編譯，編譯完成后生成controler．dll文件，在Cruise模型中放入MatlabDLL接口模塊，進(jìn)行接口模塊的參數(shù)設(shè)置，完成以上設(shè)置后，在Cruisedatabus中完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信，即可實(shí)現(xiàn)Cruise與MatlabDLL方式聯(lián)合仿真［19－20］。在進(jìn)行信號(hào)通信時(shí)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)據(jù)交換過程，Cruise通過數(shù)據(jù)接口將動(dòng)力蓄電池和超級(jí)電容SOC值、電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載信號(hào)、超級(jí)電容電壓值等信息傳遞給Simulink中的模糊控制策略模型，之后Simulink模型將超級(jí)電容電流、轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)反饋給Cruise模塊中的電氣終端、電機(jī)及駕駛員，以建立Cruise和Simulink之間的數(shù)據(jù)通信。AVLCruise軟件中含有簡(jiǎn)捷通用的模型部件、易懂的管理系統(tǒng)、可以與Matlab、C、Fortran接口完成復(fù)雜控制算法的設(shè)計(jì)和離線仿真，也可與DSPACE等硬件接口，展開實(shí)時(shí)仿真，真實(shí)模擬車輛傳動(dòng)系統(tǒng)，完成對(duì)復(fù)雜動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，整車仿真模型如圖5所示。在進(jìn)行整車建模時(shí)，從模塊庫中直接拖拽部件模塊來搭建整車模型。修改部件屬性來快速完成整車模型的參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行部件間的機(jī)械連接、電氣聯(lián)接和信號(hào)聯(lián)接。

4仿真結(jié)果與分析

采用中國城市道路工況作為本文的循環(huán)工況。中國城市道路工況是中國汽車技術(shù)研究中心根據(jù)我國各大城市的行駛特征研究出的更加適合我國的城市工況。中國城市道路工況如圖6所示，工況總運(yùn)行時(shí)間是1304s。工況中最大速度達(dá)60km•h－1，其中怠速時(shí)間占工況總時(shí)間的28．8%，除去怠速部分之后平均車速則為22．6km•h－1。從圖6可直觀的看到我國交通系統(tǒng)中存在車輛怠速時(shí)間長(zhǎng)、總體的均車速低、車輛的速度變化頻繁等特點(diǎn)。圖7是在中國典型城市道路工況下車輛行駛的當(dāng)前車速度與期望速度變化曲線。從圖中可以看出兩條曲線基本保持一致，速度沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，這說明車輛的跟隨性和平順性都比較好。圖8是在中國典型城市道路工況下，蓄電池和超級(jí)電容所需提供的功率曲線圖。從圖中可以看出在車輛運(yùn)行過程中由超級(jí)電容和蓄電池共同供電，電池提供的功率比較平穩(wěn)，在6kW左右。在制動(dòng)時(shí)由超級(jí)電容吸收峰值功率，最大峰值功率達(dá)到10kW。超級(jí)電容充分發(fā)揮“削峰填谷”的作用，從而驗(yàn)證制定的模糊控制策略的有效性。

5結(jié)論

在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上，借助Cruise軟件搭建了帶有復(fù)合電源模塊的整車模型。詳細(xì)介紹了通過聯(lián)合仿真的方法將Simulink里搭建的策略模塊加入到整車模型中的步驟。其他用戶可以根據(jù)類似方法開發(fā)自定義策略和車型。提出超級(jí)電容與雙向DC/DC并聯(lián)再與電池串聯(lián)的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)。用模糊控制工具箱設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)合電源功率分配的模糊控制器，搭建整車復(fù)合電源控制策略模塊，使得超級(jí)電容充分發(fā)揮了提供瞬時(shí)功率的作用，避免了蓄電池過充和過放，提高了復(fù)合電源系統(tǒng)的循環(huán)使用壽命。此設(shè)計(jì)方案和仿真結(jié)果對(duì)于純電動(dòng)汽車復(fù)合電源系統(tǒng)的研究具有一定的參考價(jià)值。

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作者:周美蘭 胡玲玲 張宇 單位:哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院