纯电动汽车并联式双电池能量分配双模糊控制策略

谭光兴，陈 赞，林 聪，闫 夏

（广西科技大学 电气与信息工程学院，柳州 545006）

0 引言

作为电动汽车车载能源需具有：1）较高的比能量和比功率，以确保汽车有较长的续驶里程和较好的动力性能；2）较长的循环使用寿命以及低廉的成本；3）充电快、效率高以及体积轻等特性；4）较低的自放电率，提高电源有效利用率等[1]。目前铅酸电池使用较为普遍，纯电动汽车的车载能源采用铅酸电池单能源进行供电，然而纯电动汽车若只采用单铅酸电池来承担全部功率负荷，则对电池的寿命、汽车的性能以及续驶里程等有着很大的影响，同时可能因电池电量不足而导致汽车无法正常行驶，并且造成能源的浪费。

为解决上述问题，有学者研究了超级电容-蓄电池复合电源，并取得了较好的成果，如张昌利等人研究了蓄电池-超级电容双能量源的结构和工作模式，并采用模糊控制策略进行了仿真实验[2]，结果表明蓄电池-超级电容双能量源提高了车辆经济性和动力性。由于超级电容充、放电时间都短，因此使用成本要远大于其使用价值，并且也不能真正有效的改善纯电动汽车在动力性能和续驶里程等方面的不足。为此，根据各类电池的优缺点，在满足车载能源4个条件的前提下，为解决上述存在的问题，对铅酸电池-锂电池双电池进行研究。针对双电池的能量分配，分析了常用的模糊控制策略，并提出了改进的控制方案—双模糊控制策略，基于ADVISOR进行了仿真实验对比，结果表明：纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池双电池以及能量分配双模糊控制策略能更有效的提高纯电动汽车动力性能和能量利用效率，有效的延长车辆的续驶里程，同时也可避免因电池电量不足或突然掉电而导致汽车无法正常行驶的情况发生。

1 并联式铅酸电池-锂电池双电池工作原理

根据动力电池的优缺点，文中采用铅酸电池-锂电池双电池作为纯电动汽车的动力源，铅酸电池和锂电池为并联形式组合，因此不仅使用和拆卸都很方便，而且也不需要改变整车内部的硬件电路，只需在外搭一个双电池控制电路，如图1所示，通过整车控制器中能源管理系统EMS控制开关管来控制铅酸电池和锂电池的工作分配，最终实现对整车能量的控制，其控制情况如下：

图1 并联式铅酸电池-锂电池双电池控制电路

1）当控制开关管VT1导通时，铅酸电池给电机供电，其电路回路为：；再控制VT1关断，电机通过二极管D2续流。

2）当控制开关管VT1和VT4导通时，铅酸电池和锂电池同时给电机供电，其电路回路为：

再控制VT1关断，电机通过二极管D2续流。

3）当控制开关管VT2导通时，电机通过二极管D2给电机的电感储能；再控制VT2关断，给铅酸电池充电，其电路回路为：；当铅酸电池充满电后，控制开关管VT3导通，停止给铅酸电池充电，开始给锂电池充电，其电路回路为。

根据控制情况以及纯电动汽车行驶工况，车用并联式双电池共有如下三种工作模式[3]：

1）匀速或者低速行驶时，电机需求功率很低，可以只由铅酸电池单独供电；若铅酸电池的电量不足以维持纯电动汽车匀低速行驶时，则锂电池提供部分能量，以满足行驶要求。

2）启动、加速或者爬坡时，电机需求功率较大，则由锂电池和铅酸电池共同供电。

3）再生制动或者下坡时，电机处于发电状态，产生制动能量，此能量优先由铅酸电池来回收；若铅酸电池已充满，则多余的能量再由锂电池回收。

2 并联式铅酸电池-锂电池双电池控制策略

能量分配控制策略决定了铅酸电池和锂电池这两个电源如何联合工作以及两个电源的供电效果和效率。由于模糊算法在测量不精确和部件特征动态变化时具有较强的鲁棒性，可借助实验经验来表达控制中难以精确定量表达的规则[4]，因此文中采用模糊算法来分配铅酸电池和锂电池双电池的电量。

许多文献中均采用了如图2所示的模糊控制策略，根据整车控制信号判断能源SOC，根据循环工况得到总需求功率，通过模糊控制器得出分配系数，从而实现功率的分配[2,5,6]。

图2 能量分配模糊控制策略框图

循环工况中，当汽车正常行驶转为制动时，总需求功率Preq>0变为Preq<0，此时的控制规则不好制定，当汽车制动转为启动行驶时的情况也一样；同时，当总需求功率Preq为0或者接近于0时，分配系数为无穷大，这不符合逻辑以及实际情况。此方案中均未曾考虑，对各能源的输入和输出功率进行分配时不够全面，影响各能源的工作，从而影响汽车的性能和能量使用情况。

2.1 双模糊控制策略

针对上述所存在的问题，对该控制策略进行改进，改进的双模糊控制策略如图3所示，将总需求功率Preq分为三种情况：总需求功率Preq>0时为汽车行驶情况，通过模糊控制器1进行分配；总需求功率Preq<0时为汽车制动情况，通过模糊控制器2进行分配；总需求功率Preq=0时为过程转换情况，此时由铅酸电池提供全部的能量。

图3 改进的双模糊控制策略图

2.2 模糊控制器的设计

2.2.1 输入输出变量

文中设计的模糊控制器均采用总需求功率Preq、锂电池Li_SOC和铅酸电池Pb_SOC作为输入变量，分配系数K作为输出变量。

图4 输入输出变量隶属度函数

当总需求功率Preq>0时，相应的模糊控制器的输入输出变量的隶属度函数如图4所示，总需求功率的论域为[0 1]，其模糊子集为{L、ME、H}；在工作过程中，为了避免电池深度放电而损害电池的使用寿命，锂电池和铅酸电池的论域设为[0.2 1]，其模糊子集均为为{L、ME、G}；分配系数的论域为[0 1]，其模糊子集为{L、ML、ME、MB、G}。

当总需求功率Preq<0时，利用绝对值操作转换为总需求功率Preq>0，因此相应的模糊控制器的输入输出变量的隶属度函数设计情况相同。

2.2.2 模糊推理

当总需求功率Preq>0时，纯电动汽车正常行驶，电机处于电动模式，根据实际经验和大量的仿真实验，总结出表1的27条模糊规则。

表1 总需求功率Preq＞0下模糊规则

当总需求功率Preq<0时，纯电动汽车制动，电机处于发电模式，优先铅酸电池回收能量，根据实际经验和大量的仿真实验，总结出表2的27条模糊规则。

表2 总需求功率Preq＜0下模糊规则

2.2.3 解模糊化

考虑到纯电动汽车的性能，在模糊控制器给出的几种解模糊化法中选用面积重心法（centroid），由于权值为模糊推理中各元素的隶属度，故也是加权平均法。

3 仿真与结果分析

3.1 参数设置

为了验证本文提出的并联式铅酸电池-锂电池双电池车载能源以及改进的能量分配双模糊控制策略的有效性和优越性，对ADVISOR纯电动汽车仿真平台进行二次开发，并把能量分配双模糊控制策略仿真模型嵌入其整车仿真模型中，如图5所示。

3.2 仿真结果与分析

在循环工况CYC_UDDS下，纯电动汽车采用不同车载能源以及相应的能量分配控制策略的仿真对比情况如下。

1）动力性能对比

（1） 爬坡度测试

以88.5km/h初始车速行驶，纯电动汽车采用铅酸电池单一能源可达到的最大爬坡度为9.7%；采用并联式铅酸电池-超级电容复合能源的爬坡度为12.5%；采用并联式铅酸电池-锂电池双电池，能量分配采用常用的模糊控制策略时爬坡度为10.7%，而采用改进的双模糊控制策略时爬坡度为14.6%，与前面的几种情况相比，爬坡能力有明显的提高。由此可知，由于超级电容充放电时间都短，且能提供短时高功率，因此短时爬坡性能测试中，纯电动汽车采用并联式铅酸电池-超级电容复合能源时，爬坡能力比较大，但是相比之下，采用并联式铅酸电池-锂电池双电池车载能源以及改进的能量分配双模糊控制策略时，其爬坡能力要强些，且能长时间的提供纯电动汽车所需的爬坡性能。

（2）加速性能测试

加速性测试情况如表3所示，由表可得：①当电源能量不足(如SOC=0.3)时，纯电动汽车若采用铅酸电池单一能源，或者并联式铅酸电池-超级电容复合能源时，不能达到预定的车速，同时在规定时间内行驶距离也较短；而采用并联式铅酸电池-锂电池以及改进的能量分配双模糊控制策略时，不仅能达到预定的车速，且达到预定车速所用时间是最少得，在规定时间内行驶距离也是最长的。②当电源能量充足(如SOC=0.85)时，纯电动汽车在这几种情况下都能达到预定的车速，且用时也短，在规定时间内行驶距离也比较远，但是相比之下，纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池车载能源以及改进的能量分配双模糊控制策略，达到预定车速用时是最短的，规定时间行驶距离也是最远的。由此可知，纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池双电池以及改进的能量分配双模糊控制策略具有更强的加速能力，尤其是在电池电量相对较低时。

表3 加速性能测试结果

综合爬坡性能和加速性能测试结果分析可知，采用并联式铅酸电池-锂电池双电池车载能源以及改进的能量分配双模糊控制策略的纯电动汽车具有更强、更持久的动力性，也可避免了因某电源电量不足或突然掉电导致纯电动汽车动力性能不足或无法正常行驶的情况出现。

2）电池SOC对比

纯电动汽车车载能源SOC对比如图6所示，由图可得：在CYC_UDDS工况下，纯电动汽车采用铅酸电池单一能源时，铅酸电池SOC降到0.7688(如图6线6)；采用并联式铅酸电池-超级电池复合能量时，铅酸电池SOC降到0.81(如图6线4)，超级电容SOC为0；采用并联式铅酸电池-锂电池时，若能量分配采用常用的模糊控制策略，则铅酸电池SOC降到0.8364(如图6线2)，锂电池SOC降到0.8135(如图6线3)，若能量分配采用改进的双模糊控制策略，则铅酸电池SOC降到0.8406(如图6线1)，锂电池SOC降到0.802(如图6线5)。由此可知，采用并联式双电源作为车载能源均能减少电池的消耗，其铅酸电池SOC提高了约6.8%。

3）能量的使用对比

由表4可知：相比于纯电动汽车采用并联式铅酸电池-超级电容复合能源等的能量使用提高效果，纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池双电池以及改进的能量分配双模糊控制策略，能量使用情况是最好的，其消耗的能量明显减少，整车总消耗能量减少约2000KJ，对应于传统燃油汽车的耗油量节省了0.5L/100Km，能量利用效率提高了6.2%。由此可知，纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池双电池以及改进的能量分配双模糊控制策略能有效的减少整车能量的消耗，提高能量利用效率，从而有效的延长纯电动汽车续驶里程。

图6 电池SOC对比情况

表4 能量使用情况

4 结论

根据车载能源的4个条件，通过分析纯电动汽车采用单一能源以及动力电池-超级电池复合能源的优缺点，提出对铅酸电池-锂电池双电池进行研究。针对并联式铅酸电池-锂电池双电池的能量分配，研究了常用的模糊控制策略，并提出了改进的双模糊控制策略。在ADVISOR纯电动汽车仿真平台进行二次开发，结合CYC_UDDS工况，与不同车载能源以及这两种能量分配控制策略进行仿真对比。实验结果表明：纯电动汽车采用并联式铅酸电池-锂电池双电池车载能源以及改进的双模糊控制策略可以减少动力电池的损耗，优化能量的使用，提高并保证了纯电动汽车的动力性能，有效的延长其续驶里程。

[1] 倪颖倩.电动汽车关键技术-复合电源的研究[D].南京:南京理工大学,2008.

[2] 张昌利,张瑾瑾,杨盼盼.基于ADVISOR的双能量源纯电动汽车仿真[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2011,35(3):462-466.

[3] 盘朝奉,何志刚,张德望,等.复合电源电动汽车动力系统建模与仿真[J].广西大学学报(自然科学版),2012,37(2):284-290.

[4] 陈赞,谭光兴,林聪,等.基于模糊算法的纯电动汽车制动能量回收[J].广西科技大学学报,2014,25(3):32-37.

[5] 石庆升,张承慧,崔纳新.新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化控制[J].电工技术学报,2008,23(8):137-142.

[6] 王祥,孙玉坤,王琪.基于ADVISOR的混合动力汽车复合电源二次开发[J].电测与仪表,2014,51(14):96-99.

[7] 扬天.电动汽车复合电源研究与仿真分析[D].西安:长安大学,2010.

[8] 王儒,李训明,魏伟,等.基于ADVISOR的纯电动汽车复合电源系统[J].山东理工大学学报(自然科学版),2014,28(1):73-78.

[9] 张丹红,汪江卫,刘开培,等.HEV车载复合电源系统控制策略优化研究[J].电源技术,2012,36(5):650-654.