基于模糊控制的復合電源電動汽車建模與仿真

李志堅，李 駿

(華東交通大學，江西 南昌 330013)

0 引言

近年來，我國新能源汽車的生產銷售快速增長，各大車企紛紛推進新能源汽車戰略。雖然，純電動汽車的技術水平不斷提升，但整車各項性能表現與市場需求仍存在差距。由于超級電容和動力蓄電池組成的電動汽車復合電源能有效延長蓄電池的使用壽命，增大續駛里程，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合電源電動汽車建模與仿真方法，并以一款微型純電動轎車為例進行分析和比較驗證。

1 復合電源動力系統建模

1.1 蓄電池建模

圖1為應用MATLAB和ADVISOR建立的蓄電池仿真模型，共有5個子模塊：模塊1為蓄電池組開路電壓和內阻計算模塊；模塊2為電流計算模塊；模塊3為功率限制模塊，確保電機功率在合理范圍內；模塊4為SOCbat(蓄電池剩余電量百分比)估計模塊，其功能是依據蓄電池電流估計電池實際SOCbat值；模塊5為蓄電池熱模型模塊，用于估計單體動力蓄電池內部和外部工作溫度，確定蓄電池參數指標。

模塊4中，蓄電池SOCbat值的計算式為：

(1)

1.2 超級電容建模

圖2為二次開發后的超級電容仿真模型，由4個模塊組成:模塊1為超級電容開路電壓模塊；模塊2為電流計算模塊；模塊3為功率計算模塊，模塊4為溫度計算模塊。

模塊3中，超級電容SOCcap值的計算式為：

(2)

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

1.3 DC/DC建模

復合電源動力系統中DC/DC效率轉換器建模有兩種方法[1-2]：①根據實際電氣模型和數學模型搭建DC/DC效率轉換器；②根據DC/DC轉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效率轉換器仿真模型如圖3所示。

2 復合電源控制策略建模

2.1 控制策略選擇

復合電源控制策略是在滿足整車動力性要求和正常行駛前提下，合理分配超級電容和蓄電池的輸入、輸出功率，并最大限度地回收制動能源，提高行駛里程，延長復合電源動力系統使用壽命。制定復合電源控制策略時應遵循以下原則[3]：

(1) 根據車輛的實際情況，合理分配驅動電機對復合電源動力系統的需求功率，當電動汽車需要大功率時，蓄電池承擔大部分功率需求，額外功率需求由超級電容提供。

(2) 制動過程中，主要由超級電容回收制動產生的能量，蓄電池輔助超級電容回收制動能量，避免蓄電池回收電流過大對電池造成損害，當蓄電池SOCbat值較低時，優先給蓄電池充電。

復合電源動力系統控制策略主要有：模糊控制策略、基于邏輯門限控制策略、基于車速功率分配策略等?；诳刂颇繕说目紤][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 二次開發后的超級電容仿真模型

圖3 雙向DC/DC效率轉換器仿真模型

模糊控制包括驅動控制器和制動控制器，輸入變量為電機需求功率Preq、蓄電池提供功率Pbat和超級電容提供功率Pcap；單輸出變量為超級電容功率分配因子Kuc。其中制動控制器沒有電機需求功率的輸入。4變量之間存在如下關系：

Kuc=Pbat/Preq.

(3)

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

(4)

2.2 驅動控制器設計

因為Pbat和Pcap需要考慮其SOC狀態，故本文變量為Preq、SOCbat、SOCcap、Kuc。根據經驗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}。驅動隸屬度函數和模糊規則如圖4和表1所示。

圖4 驅動隸屬度函數圖

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

2.3 制動控制器設計

制動控制的輸入、輸出變量設計過程與驅動控制相似，其隸屬度函數和模糊規則如圖5和表2所示。

根據上述模糊控制規則進行設計，得到的仿真模型如圖6所示。

將復合電源動力系統仿真模型(如圖7所示)、控制策略嵌入ADVISOR頂層模型,再與傳動模塊組合，即為復合電源整車仿真模型。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真對象

現針對一款微型電動轎車進行仿真分析，在原車輛參數的基礎上為其選配了展梟公司CLQ1100S1B超級電容。整車主要參數如表3所示。

圖5 制動隸屬度函數圖

KucPreqTLLMHSOCbatLBMSTSMMBSTSHBBMM

圖6 模糊策略仿真模型

3.2 整車性能仿真

選取NEDC循環工況，分別進行了單一電源模型和本文所構建復合電源模型的仿真分析。仿真結果如表4所示。

從表4可知，仿真計算結果與車輛實際數據吻合，且復合電源動力系統整車性能優于單一電源動力系統，說明所構建的復合電源動力系統模型正確、有效，仿真結果真實、可信。

3.3 復合電源工作狀態仿真和分析

國內循環工況是依據歐洲NEDC循環工況測試而來，本文選取NEDC循環工況對復合電源和單電源蓄電池的電流進行比較分析。

圖7 復合電源動力系統仿真模型

圖8為NEDC工況下復合電源與單電源仿真結果對比。由圖8可知：1 100 s左右復合電源電動汽車需求功率達到最大值，單電源蓄電池最大電流接近150 A，復合電源蓄電池電流為100 A左右，此時超級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，復合電源為5 A左右，超級電容回收電流接近30 A，避免較大回收電流對蓄電池沖擊。說明加入超級電容起到削峰填谷作用和保護蓄電池作用。

表3 復合電源汽車整車主要參數

表4 單電源與復合電源仿真結果

4 結論

本文構建了基于模糊控制的復合電源電動汽車仿真模型，針對某款微型電動汽車進行分析，得出以下結論:

(1) 所構建的模型和所設計的模糊控制策略真實、有效。復合電源動力系統參數設計能夠滿足整車行駛工況的要求。

(2) 所設計的模糊控制策略能夠更有效地回收制動能量，避免較大回收電流對蓄電池造成損害，同時在電機需求功率較大時，超級電容提供一定功率，提高了能源利用率。

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

圖8 NEDC工況下復合電源與單電源的電流仿真對比