基于ADVISOR的纯电动汽车复合电源系统

王 儒， 李训明， 魏 伟， 曲金玉

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255091)

电动汽车在城市道路工况行驶中，存在较多的起步、加速以及制动减速过程，产生较大的充放电流，需要电池具有优良的高倍率充放电特性，但一般的动力电池比功率较低，难以实现对电机的大电流驱动以及在制动能量回收过程中承受大功率充电，而且峰值电流会严重损害电池使用寿命；超级电容虽然拥有大电流充放电的特性，但其比能量较小，不适合作为动力源单独使用[1-2]．

动力电池和超级电容并联组成的复合电源，可以将各自的优势互补，获得较高的比能量和比功率，有效地兼顾电动汽车对功率和能量的双重要求[3]．与任一单一电源相比，复合电源可以更好地适应车辆的各种工况运行．因此，复合电源的拓扑结构和控制策略成为目前研究热点．复合电源功率分配控制策略主要有逻辑门限控制、PID自适应控制、模糊逻辑控制和神经网络控制等[4]．

本文选择某一纯电动汽车为原型车，通过合理匹配其复合电源系统各参数，以充分发挥动力电池和超级电容各种性能特点为目标，分别制定逻辑门限控制策略和模糊控制策略，利用汽车仿真软件ADVISOR2002并对其二次开发，建立纯电动汽车模型，结合NEDC道路循环工况对复合电源电动汽车进行仿真研究．

1 复合电源系统参数匹配

复合电源系统参数匹配的目标是通过合理匹配动力电池和超级电容参数，使车辆运行时能最大程度地发挥其各自优势，满足车辆的各项性能要求．

1.1 动力电池的参数配置

磷酸铁锂电池与传统动力电池相比具有能量密度高、使用寿命长、性能稳定、安全性高等优点，本文选择磷酸铁锂电池作为电源系统的动力电池．动力电池参数匹配主要是对电池的电压、容量、节数进行合理配置[5]．

电池组电压等级需要和电机工作电压相匹配，根据原型车相关参数以及其设计性能指标，本文选择电机的工作电压为220V，确定动力电池组电压等级为220V．磷酸铁锂电池单体正常工作电压一般为2.5～3.6V，本文选择的磷酸铁锂动力电池单体电压为3.2V．所以，根据电源系统电压可确定磷酸铁锂动力电池单体的串联数量为70只．

采用等速法，并根据所设计的续驶里程确定电池组容量．假设车辆在水平良好路面以车速ua等速行驶，可知车辆行驶所需的功率和能量为

(1)

(2)

式中：Pe为车辆行驶所需功率(kW)；W为汽车行驶所需能量(kW·h)；m为整车质量(kg)；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积(m2)；ηT为机械传动效率；ηm为电机及控制器效率；S为续驶里程(km)．

所以，电池组容量为

(3)

式中：N1为电池组串联数；C1为电池组容量(Ah)；V1为磷酸铁锂电池单体电压(V)；η为电池放电深度，取η≤80%．

1.2 超级电容的参数配置

根据车辆运行道路工况对电源系统功率需求以及超级电容组峰值助力时间等因素确定超级电容参数[6]．

超级电容最大储能量应大于车辆加速爬坡最大能量需求，或与最大制动能量相当．由NEDC循环工况可知，超级电容满足提供车辆10s的峰值助力要求；再根据超级电容特性，放电过程中其电压从V降到V/2就有75%的能量放出，因此超级电容单节放电区间为1.25～2.5V之间[7]．

同时，在放电过程中，超级电容组电压大于磷酸铁锂电池组电压，通过双向DC/DC变换器降压后与电池组并联；在制动回馈充电过程中，超级电容截止电压小于电池组截止电压，通过双向DC/DC变换器升压后与电池组并联[8]．

综上，超级电容组参数的约束条件可以表示为

(4)

式中：N2为超级电容串联数；C2为超级电容容量；V1max、V1min分别为磷酸铁锂电池工作最高、最低电压(V)；V2max、V2min分别为超级电容工作最高、最低电压(V)；Pmax为行驶工况峰值功率(kW)；P1为磷酸铁锂电池提供的功率(kW)；t为超级电容峰值助力时间(s)．

1.3 原型车复合电源系统参数

根据上述分析，结合原型车参数和性能指标(如表1所示)以及NEDC道路循环工况(图1)和循环工况对驱动电机能量和功率的需求(图2、表2)，完成复合电源系统各参数匹配(见表3)．

表1 原型车相关参数及性能指标

图1 汽车NEDC道路循环工况曲线

图2 电机控制需求功率

需求参数参数值正能量需求/kJ7 065.12负能量需求/kJ-1 669.67正功率需求时间/s722负功率需求时间/s178平均正功率需求/kW9.79平均负功率需求/kW-9.38

表3 复合电源参数配置

2 功率分配控制策略

复合电源系统功率分配策略控制目标：复合电源系统在保证汽车动力性的前提下，充分发挥超级电容大流充放电的特性，尽量降低大电流充放电对电池的影响，延长电池的使用寿命，提高作为车载电源的充放电效率，增加再生制动所回收的能量，进一步提高电动汽车续驶里程和整车的动力性．

复合电源系统根据电机所需功率，通过功率分配策略控制来确定动力电池和超级电容各自所需提供的功率(如图3所示)，即

Pess=Pbat+Puc

(5)

复合电源能量管理控制策略：在电动汽车行驶过程中，动力电池提供运行工况的平均功率，剩余部分由超级电容提供，即当电机需求功率较大时，优先以动力电池提供平均功率，超级电容辅以峰值功率，若超级电容能量不足时，主要由动力电池提供能量；当电机需求功率较小时，则主要以动力电池提供能量．在电动汽车制动回收能量过程中，以超级电容回收为主，将超级电容的荷电状态维持在一个合理的范围内，其余动力电池回收．

图3 复合电源系统功率分配结构

2.1 逻辑门限控制策略

复合电源逻辑门限控制策略规则的建立：根据已确定的道路工况对驱动电机所要求的功率正负分离，并通过积分求平均的方法得到正负平均需求功率(表2)；同时再考虑动力电池和超级电容的使用寿命以及安全等因素，设定动力电池和超级电容的荷电状态门限值．具体逻辑门限控制策略流程如图4所示．

图4 逻辑门限控制策略流程图

其中，滤波函数f(s)表达式为

(6)

式中：τbat为动力电池低通滤波时间常数；τuc为超级电容低通滤波时间常数．

2.2 模糊控制策略

模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法[9]．复合电源模糊控制就是在逻辑门限控制的基础上，对门限值进行模糊化处理．

模糊控制器将电机需求功率Preq，动力电池荷电状态SOCbat，超级电容荷电状态SOCuc作为输入量，经过模糊控制策略分析得到动力电池功率分配因子Kbat，即得出动力电池和超级电容各自的功率分配．

根据上述控制策略及目标，可以得到如下的实时优化控制思路：

(1)若电机需求功率为正，即复合电源需输出功率时，且当超级电容的SOCuc较大，其优先输出能量；反之，当超级电容的SOCuc较小，则动力电池优先输出能量。

(2)若电机需求功率为负，即为制动能量回收过程，能量回馈到复合电源时，根据回收功率的大小来确定超级电容和动力电池直接的分配关系。当回收的功率较小时，优先超级电容回收，动力电池辅以回收；当回收的功率较大时，优先动力电池回收，超级电容辅以回收。

本文模糊控制器采用三输入、单输出结构，推理方法采用Mamdani法．三输入分别为Preq，SOCbat，SOCuc，输出为Kbat．输入输出量均采用三角形函数．设输入量Preq论域为[-1 1]，模糊集合{NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}；SOCbat论域为[0.2 0.9]，模糊集合{LE、ME、GE}；SOCuc论域为[0.2 0.9]，模糊集合{LE、ME、GE}。输出量Kbat论域为[0.21]，模糊集合{LE、ML、ME、MB、GE}．

根据上述复合电源功率分配控制目标建立的相应规则见表4.

表4 模糊控制规则

3 仿真试验

3.1 建立模型

本文利用汽车仿真软件ADVISOR2002，通过对其二次开发，实现适用于复合电源的纯电动汽车整车模型仿真．复合电源纯电动汽车的顶层结构模型(如图5所示)主要由功率分配控制策略模块、动力电池模块、超级电容模块和双向DC/DC模块组成．车辆动力母线模块的输出作为复合电源功率分配控制策略模块的输入，并经其功率分配后确定动力电池和超级电容各自的功率需求．整车模型选用原型车参数，以NEDC为仿真循环工况进行仿真试验．

图5 复合电源纯电动汽车的顶层结构模型

3.2 仿真结果分析

图6为单一电源和复合电源两种功率分配控制策略下的动力电池电压对比图．

图6 动力电池电流对比图

从图6可以看出，单一电源充放电电流较大，而加入超级电容的复合电源，其动力电池充放电电流明显降低．采用逻辑门限控制策略的复合电源较单一电源的优势是发挥了超级电容可以吸收制动回收过程中产生的电流，但对于动力电池放电时的峰值电流改善较少，而采用模糊控制策略的复合电源充分发挥了超级电容大电流放电的特性，对动力电池的电流明显地起到了“削峰填谷”的作用．

图7为超级电容在两种功率分配控制策略下的电流对比图．

从图7可以看出，超级电容在模糊控制策略下，可以更好地发挥其大电流充放电、大功率输出的特性．而逻辑门限控制策略只考虑超级电容10s的峰值助力，不能很好地发挥超级电容的主动性．

图7 超级电容电流对比图

图8、图9分别为不同控制策略下的动力电池和超级电容SOC对比图．从图8中可以看出，复合电源较单一电源可以节省动力电池的电量，而其中模糊控制策略相比于逻辑门限控制策略，节省的动力电池电量更加明显．由图9可以看到，模糊控制下的超级电容SOC变化幅度更大，说明其在电源系统充放电过程中更为主动，更能发挥其作用．

图8 动力电池与单一电源SOC对比图

图9 超级电容SOC对比图

4 结束语

本文以动力电池和超级电容组成的复合电源为研究对象，以某一纯电动汽车为原型车，完成了其复合电源系统参数的合理匹配；研究了复合电源系统功率分配控制策略，并分别制定了逻辑门限控制策略和模糊控制策略；通过对汽车仿真软件ADVISOR2002的二次开发，建立了适合于复合电源纯电动汽车的整车模型，并选择NEDC道路循环工况进行了仿真试验．结果表明：超级电容通过发挥其“削峰填谷”的峰值补偿作用，电池性能明显提升；采用的模糊控制策略与逻辑门限控制策略相比，控制推理能力强、鲁棒性好，超级电容可以更好地发挥其主动性，复合电源系统性能明显提升．

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