基于复合电源的纯电动商务车能量管理策略仿真

伍 鹏，何 锋，杨泽平，袁兴国

（贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 引言

目前，市场上的纯电动车辆主要使用锂离子电池作为动力源，然而其大功率安全性、成本、循环寿命等已成为制约锂电池大量应用于纯电动汽车的主要问题[1-3]。超级电容具有充放电效率高，比功率大，循环寿命长等优点[4]。将超级电容和锂电池组成复合电源[5]进行研究以发挥两者的优势、弥补锂电池的性能缺陷，对于促进纯电动汽车的发展和推广应用都有着重要作用。某公司研发的纯电动商务车搭载384v/160Ah的磷酸铁锂离子电池组作为整车动力源，在山区城市行驶时频繁爬坡以及急加速工况下大电流放电对锂电池的冲击和损伤，使得锂电池使用寿命偏低，因此有必要对复合电源在纯电动商务车上的应用进行研究。文献[6]对直接并联式复合电源展开了研究，降低了大电流对动力电池的冲击；文献[7-9]采用逻辑门限控制策略对复合电源进行功率分配，提高了能量利用率。将建立纯电动商务车仿真模型，并采用“锂电池+超级电容”的复合电源结构，通过制定模糊控制策略对复合电源进行功率分配，最后对所制定的控制策略及所建立的模型进行仿真验证。

2 复合电源结构与整车建模

2.1 结构型式

纯电动商务车复合电源采用主动控制式“锂电池+超级电容”的结构，将超级电容同双向DC/DC转换器串联后和锂电池并联。双向DC/DC转换器能够对锂电池电压进行实时检测，进而调控超级电容端电压使两者匹配工作，并对超级电容和锂电池的输出功率进行主动分配。

2.2 整车建模

在AVL/CRUISE软件中建立整车模型，使用的CRUISE集成模块主要有驾驶员、传动系统、制动系统、驱动电机、超级电容、电池等，在Simulink中搭建模糊逻辑能量管理控制器模型。CRUISE与MATLAB进行联合仿真，可以在MATLAB中完成复杂控制程序及算法的编写，通过仿真验证及进一步研究将运用此模型在CRUISE/MATLAB平台中进行各种能量管理及整车控制策略的仿真验证。整车模型，如图1所示。

图1 整车模型Fig.1 Vehicle Model

3 模糊逻辑控制策略制定

3.1 能量管理控制策略

目标功率分配是复合电源能量控制管理的核心，通过车速、目标功率以及驾驶员意图等对汽车行驶状态进行准确判断是合理分配功率的前提。模糊逻辑控制建立在专家经验的基础上[10]，利用控制规则来描述变量间的关系，对车速、目标功率以及驾驶员意图等具有不确定性、呈非线性变化的变量进行控制具有较强的鲁棒性。因此，通过制定模糊控制策略将目标功率在超级电容和锂电池之间进行分配，使纯电动商务车在急加速、连续爬坡等功率需求大于60kw的工况下，控制超级电容提供较大的功率以降低锂电池负荷；在中等功率需求工况下，稳定超级电容SOC在0.7左右；在低速、缓慢加速等功率需求小的工况下，控制锂电池提供整车所需能量，并在超级电容SOC低于0.5且目标功率小于30kw时对超级电容充电；在再生制动工况下，控制超级电容回收全部制动能量。

3.2 模糊逻辑控制器设计

在MATLAB/Simulink中建立4输入1输出的模糊控制器，如图2所示。输入为纯电动商务车目标功率Pm、超级电容荷电状态SOCc、车速V、以及加速踏板/制动踏板行程差S2-S1，输出为锂电池功率分配因数Kbat，通过计算得到锂电池分配功率Pb以及超级电容分配功率为Psc。

图2 模糊逻辑控制器Fig.2 Fuzzy Logic Controller

3.3 隶属度函数与模糊规则

模糊控制器的输入输出变量主要包括6个模糊子集，分别为极低（VL）、低（L）、小（S）、中（M）、高（H）、极高（VH），各输入变量的隶属度函数，如图3所示。输出变量的隶属度函数，如图4所示。Pm的论域为［-120，120］，SOCc的论域为［0，1］，车速V的论域为［0，120］，踏板行程差 S2-S1的论域为［-10，10］，Kbat的论域为［0.2，1.2］。

图3 输入隶属度函数Fig.3 The Membership Functions of Input Variables

图4 输出Kbat隶属度函数Fig.4 The Membership Function of Output Variable

图5 Pm-SOCc-Kbat对应关系Fig.5 The Relationships Between Pm-SOCc-Kbat

根据所提出的能量管理控制策略制定相应的模糊规则，由各输入和输出变量的隶属度函数和模糊控制规则可得出各输入变量与功率分配因数Kbat间的对应关系，目标功率Pm与超级电容荷电状态SOCc和功率分配因数Kbat的对应关系，如图5所示。

4 仿真计算及结果分析

在某公司研发的以锂电池作为单一动力源的纯电动商务车的基础上，使用“锂电池+超级电容”结构的复合电源，运用CRUISE软件建立整车模型，在MATLAB环境下制定模糊逻辑能量管理控制策略，进行联合仿真。纯电动商务车基本参数，如表1所示。动力系统参数，如表2所示。选择欧洲市郊工况NEDC进行仿真，将原有锂电池作为单一动力源的电源结构与复合电源进行对比分析。仿真结果，如图6所示。仿真结果可以看出，图6（a）中再生制动能量由锂电池回收，电池反复充电，充电电流较大，超过1.4C，充电电流峰值超过1.76C，放电电流最大达到234.4A，超过1.46C，大电流冲放电时锂电池效率低且会产生不可修复的损伤。图6（b）中锂电池在行驶过程中不充电，放电电流稳定在1C左右，对于提高锂电池的效率和循环寿命起着重要作用。图6（c）中超级电容利用快速大电流充电特性回收全部再生制动能量，提高了能量回收率，且锂电池不进行制动能量回收；当目标功率变化较大时超级电容输出部分功率，在电机功率达到83.4kw时超级电容输出功率18.2kw，使锂电池输出功率稳定在额定功率左右，减小了锂电池的工作负荷。

表1 整车基本参数Tab.1 Basic Parameters of Vehicle

表2 动力系统参数Tab.2 Dynamic System Parameters

图6 仿真结果Fig.6 Simulation Results

不同电源结构储能装置电量变化结果，如表3所示。锂电池作为单一动力源的电源结构中电量消耗为8.437Ah，复合电源中超级电容电量增加0.315Ah，锂电池电量消耗为8.353Ah，在一个循环中节能0.339Ah，约4.7%。

表3 电量变化结果Tab.3 The Results of Charge Change

5 结论

基于CRUISE/MATLAB建立了纯电动商务车的联合仿真模型，在Simulink中制定模糊逻辑控制策略，在NEDC工况下对锂电池和超级电容充放电电流、功率等进行综合分析可知：（1）通过仿真，验证了所建模型的正确性，后续可将此模型用于不同控制策略对纯电动商务车进行能量管理控制的仿真验证（2）主动控制式复合电源采用模糊控制策略将锂电池放电电流限制在1C的高效工作区且增加了有效循环次数，可以延长锂电池使用寿命，比原有电源结构节能4.7%，能够增加纯电动商务车的续驶里程约7.99km。

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