基于新能源電動汽車復合電源能量管理的模糊控制研究

高俊嶺，丁 昇，張 翔

安徽理工大學電氣與信息工程學院,安徽淮南,232001

1 引 言

日益嚴峻的能源危機與環境污染等問題加速新能源產業的發展，在汽車領域，電動汽車的改進、升級成為研發人員和學者的重點研究對象。電動汽車的動力主要由蓄電池提供。但由于單一的蓄電池功率密度小，在車輛行駛過程中很難完全滿足車輛所需的能量和功率雙重需求，因此很大程度上限制了電動汽車行業的發展。近年來，因充放電速度快、功率密度大等顯著特點，超級電容得到快速發展[1]。

將超級電容引入電源系統，用于向電機提供瞬時大功率和回收制動時電機所產生的能量，起到“削峰填谷”的作用。在保證車輛續航里程的同時，增強了電動汽車的動力性能，避免蓄電池因頻繁地充放電和瞬時大電流的沖擊而受到損壞，在一定程度上延長了蓄電池的使用壽命。因此，將超級電容引入電源系統，構成復合電源(Hybrid Energy Storage System，HESS)，具有較高的研究價值[2]。關正等[3]采用PI電壓電流雙閉環控制方法，來實現對電源輸出功率的控制，但系統受擾動影響較大，直流母線抖振較為嚴重。Samosir[4]用傳統的線性控制策略，簡單容易實現，但由于復合電源系統屬于非線性系統，因此該策略不夠穩定。趙國柱等[5]在分析復合電源工作原理的基礎上，基于保護蓄電池的原則設計了模糊邏輯能量管理策略，但主要集中在對需求功率的分配上，對于控制電源功率輸出的DC/DC變換器的控制方法未做詳細設計。

基于此，文本根據車輛運行過程中的車速、蓄電池和超級電容剩余電量的變化設計模糊控制策略，合理分配需求功率；在模糊控制策略的基礎上，同時引入一種新型趨近律滑模控制策略控制電源功率的輸出，減少誤差擾動的影響，提高控制系統的響應速度，抑制抖振。從而形成一種全新的模糊-新型趨近律控制策略，以此達到提高控制電源功率輸出精度的目的。

此策略的控制目標為：(1)維持直流母線電壓穩定；(2)超級電容器的輸出電流能夠準確跟蹤參考電流。從而使得HESS能夠更加合理地將需求功率分配給蓄電池和超級電容，根據車輛行駛狀態及時做出動態調整。

2 系統結構及工作模式分析

2.1 HESS電路結構

HESS系統由主電源蓄電池、輔助電源超級電容組、DC/DC變換器和功率分配其控制系統構成。系統簡化結構如圖1所示。

圖1 HESS電路結構

蓄電池通過Boost變換電路連接至直流母線，超級電容通過Buck-Boost雙向變換器連接至直流母線，兩者并聯連接。功率分配及其控制系統根據實時車速計算出需求功率，同時結合超級電容的荷電狀態(SOCSC)，判斷出系統的工作模式，進而調用相應的控制策略來控制兩組變換器開關的導通與關斷，從而實現對電源系統功率輸出的控制。

2.2 HESS工作模式分析

根據路面狀況的實時變化，車輛需要頻繁地加減速。因此，電動汽車的運行狀態可分為驅動和制動兩種狀態：驅動狀態可分為蓄電池單獨供電、蓄電池和超級電容共同供電兩種狀態；制動狀態可分為回收和消耗制動能量兩種狀態。

(1)當車輛平穩運行、需求功率較小時，由蓄電池單獨供電；當車輛需求功率大時，此時超級電容組介入工作，與蓄電池構成“雙電源供電”狀態。

(2)當車輛處于減速制動狀態、SOCSC未達上限時，電機因制動所產生的能量由超級電容回收；當車輛處于減速制動狀態、超級電容荷電狀態已達上限時，此時為了避免超級電容過沖，有良好的制動效果，由能耗電阻消耗制動能量。

3 系統電路分析與建模

3.1 系統電路分析

圖2為復合電源等效電路。蓄電池是車輛的能量來源。Boost變換器[6]主要負責將蓄電池輸出電壓升至直流母線電壓參考值。其中，μ1為全控性開關器件IGBT S1的開關驅動信號。超級電容主要用于向電機提供瞬時大功率和回收制動時電機所產生的能量。Buck-Boost變換器負責當超級電容輸出功率時將輸出電壓升至直流母線電壓參考值，當超級電容回收制動能量時將電壓降至超級電容兩端目標電壓值。μ2和μ3分別為全控性開關器件IGBT S2和S3的開關驅動信號。負載系統由全控性開關器件IGBT S4-S9和電機M構成。

圖2 HESS等效電路

為了充分發揮HESS的優勢，本文針對HESS結構采用一種新型趨近律滑模控制策略。圖2中采用目標電壓和電流雙閉環控制策略對Boost變換器控制，這樣既能穩定直流母線的電壓，又能控制蓄電池的輸出電流。

3.2 系統建模

圖2中，蓄電池兩端電壓為Ub；輸出電流為ib；i1為Boost變換電路的輸出電流；Udc為負載端電壓；超級電容的端電壓和輸出電流分別為Usc和isc；i2為Buck-Boost變換電路的輸出電流；i0為負載電流，其值為兩個變換電路輸出電流i1、i2之和。

對于蓄電池和Boost變換電路部分的電路，根據基爾霍夫定律列寫關系式，如式(1)所示，其中IGBT S1的開關驅動信號μ1的數值在(0，1)之間。

(1)

對于超級電容和Buck-Boost變換電路部分，當超級電容處于供電狀態時(P> 0)，Buck-Boost變換電路工作模式為Boost變換電路；當超級電容處于充電狀態下時(P< 0)，Buck-Boost變換電路工作模式為Buck變換電路。因此定義一個變量k，k的表達形式為：

(2)

當k=1，μ3=0時，S3不工作，S2在PWM控制信號μ2的控制下工作；當k=0，μ2=0時，S2不工作，S3在PWM控制信號μ3的控制下工作。

列寫關于超級電容和Buck-boost變換器組成電路的全局狀態關系式，即：

(3)

4 HESS控制策略研究

4.1 能量管理策略

研究采用的控制策略是通過模糊控制策略將需求功率合理地分配給蓄電池和超級電容，通過新型趨近律控制方法精確控制變換器的導通與關斷，進而實現輸出功率精確跟隨參考功率。如圖3為模糊控制器的控制邏輯流程，輸入信號由三個信號參數構成，分別為需求功率Preq、超級電容荷電狀態SOCSC和蓄電池荷電狀態SOCbat。需求功率Preq是由車速v計算得出(公式下文會具體給出)。超級電容輸出功率在總功率中所占的比值a，取值區間為[0，1]。模糊控制器的輸入輸出變量的子集及其各自的隸屬度函數如圖4所示。

圖3 模糊控制邏輯圖

圖4 模糊控制器各變量隸屬度函數

模糊控制器的設計原則為：通過Preq判斷車輛是驅動(Preq> 0)或者制動(Preq< 0)狀態，當Preq< 0時，還需評估SOCSC的大小。VH狀態視為超級電容電量已滿，此時超級電容不再回收制動能量，改由能耗電阻消耗制動能量；除此之外，超級電容回收制動能量。當Preq> 0時，還需要判斷SOCSC的大小。當SOCSC處于0狀態時，視為超級電容能量已耗盡，此時蓄電池單獨共工作，為負載提供能量；其余狀態下，根據SOCbat和SOCsc合理分配輸出功率，此時蓄電池和超級電容同時為負載提供能量。

根據設計原則，結合模糊控制器的變量子集，共設有125條模糊規則，部分規則見表1。

表1 部分模糊控制規則

考慮到車輛自身參數和車輛行駛過程中受到的四種阻力以及傳輸、轉換效率來計算車輛需求功率[7]。需求功率P由式(4)得：

(4)

其中，ηD為DC/DC變換器傳輸效率；ηT為機械傳動效率；ηI為電機能量轉換效率；f為滾動阻力系數；m為電動汽車整體質量；g為重力加速度；α為道路的坡度，假設行駛過程中坡度為0；CD為空氣阻力系數；A為汽車迎風面積；ρ為空氣密度；v為車速。

汽車的滾動阻力系數f可根據文獻[8]的經驗擬合公式：

f=0.042 4v2+1.376 1v+154.74

(5)

4.2 控制策略設計

4.2.1 新型趨近律

與傳統的PI調節相比，滑模控制響應速度更快、動態性能更優越、參數的變化和擾動影響更小。因此，將滑模控制應用于DC/DC變換器是可行的。在此基礎上，提出一種新型趨近律，此新型趨近律擁有更高的趨近速度，同時能夠抑制滑模變結構中固有的抖振現象[9]。新型趨近律具體形式為：

(6)

式中：eq()為指數函數；sgn()為符號函數；s為系統滑模面；X1為誤差值，為系統狀態變量；k、ε、η、δ皆為趨近律參數。

4.2.2 Boost變換器控制策略

取電壓誤差X1、電感電流誤差X2作為受控狀態變量：

[x1,x2]=[Udc-ref-Udc，IL1-ref-IL1]

(7)

S=X2

(8)

對式(8)求偏導得：

(9)

為了保證滑模狀態存在，必須滿足：

(10)

根據式(6)設計控制器，將式(1)帶入式(9)，結合式(6)，可求得開關管S1的開關狀態為：

(11)

4.2.3 Buck-Boost變換器控制策略

取電感電流誤差X1、電壓誤差X2作為受控狀態變量：

[x1,x2]=[IL2-ref-IL2，Udc-ref-Udc]

(12)

(13)

結合式(2)、(3)和式(13)可知：

(14)

5 仿真分析

通過MATLAB/simulink搭建HESS模型進行仿真實驗。基本參數見表2。由于電動汽車大多使用于城市道路，同時為了減少仿真運行時間，故選擇新歐洲循環工況NEDC(The New European Driving Cycle)的一部分進行仿真實驗。本文只分析HESS部分，對負載部分不做研究，因此為了簡化分析，負載選用阻值隨功率變化起而變化的可變電阻負載；電動汽車剎車減速時，用一個電壓源來代替由電驅動狀態改為發電狀態的電機。在NEDC下，車輛的速度見圖5。

表2 電動汽車仿真參數

圖5 NEDC工況部分車速波形

圖5中，車輛運行工況總時長為106 s，行駛過程分為三個部分：0～20 s為低速行駛狀態；20～50 s為中速行駛狀態；50～106 s為加速至高速行駛狀態，基本包含了車輛的不同運行狀態。結合式(7)，求得車輛的需求功率，如圖6所示。圖6中，由于在低速行駛狀態下，車速只有小幅度的變化，因此車輛的需求功率變化幅度較小。但當車輛在從靜止加速到高速狀態時，由于車輛的加速度以及加速時間的不同，車輛的需求功率變化也更加復雜。因此可以更好地檢驗控制系統在復雜環境下的有效性。

圖6 電機需求功率波形

在圖5和圖6的運行環境下運行仿真系統，從而驗證控制系統的有效性。

圖7為整個仿真時間內直流母線電壓的波形變化曲線。由圖7可知，母線電壓值在整個仿真時間內總體維持在設定值，將母線電壓變化曲線放大，圖中曲線表明，母線電壓上下浮動不超過1 V。

圖7 直流母線電壓波形

圖8為復合電源電流波形變化曲線。當需求功率較小時，僅蓄電池介入工作為電機供電；當需求功率較大時，在蓄電池持續工作的同時超級電容組也介入工作，蓄電池與超級電容同時為電機供電[10]。此模式避免了蓄電池頻繁地過電流充放電。

圖8 HESS電流波形

如圖9所示，由于超級電容能量密度低，并且提供瞬時大功率，因此荷電狀態下降明顯；蓄電池能量密度高，同時有超級電容提供瞬時大功率，因此荷電狀態變化比較平緩。當車輛剎車減速時，此時由超級電容回收制動所產生的電能，當超級電容荷電狀態達到上限時，超級電容停止回收能量，能耗電阻消耗制動能量，避免了因過充而損壞超級電容。

圖9 復合電源SOC變化曲線

6 結 語

本文詳細分析了HESS的四種工作模式，并提出一種基于車輛需求功率變化的模糊控制分配策略和新型趨近律控制方法相結合的混合控制策略。通過仿真實驗，得出以下結論：

(1)相較于蓄電池單獨工作，超級電容的加入避免了大電流對蓄電池造成損壞，高效回收制動能量，從而延長電池的使用壽命，增強車輛的續航能力。

(2)模糊控制方法能夠較好地解決蓄電池與超級電容之間的功率分配問題：蓄電池提供相對較小功率，瞬時大功率則由超級電容組提供。

(3)基于新型趨近律的控制策略可以很好地控制復合電源的功率輸出，維持母線電壓的穩定。

通過仿真實驗，本文所提出的模糊-新型趨近律滑模控制的控制策略的可行性和有效性得到了驗證，但還有許多新的問題需要解決，例如實際運用過程中，各個元器件和運行環境中的各種擾動對控制策略都會有或多或少的影響，因此，未來還需要在實際應用中不斷積累和完善。