基于模糊控制的复合电源电动汽车建模与仿真

李志坚，李 骏

(华东交通大学，江西 南昌 330013)

0 引言

近年来，我国新能源汽车的生产销售快速增长，各大车企纷纷推进新能源汽车战略。虽然，纯电动汽车的技术水平不断提升，但整车各项性能表现与市场需求仍存在差距。由于超级电容和动力蓄电池组成的电动汽车复合电源能有效延长蓄电池的使用寿命，增大续驶里程，降低成本，因此本文基于MATLAB和ADVISOR探讨了一种模糊控制策略的复合电源电动汽车建模与仿真方法，并以一款微型纯电动轿车为例进行分析和比较验证。

1 复合电源动力系统建模

1.1 蓄电池建模

图1为应用MATLAB和ADVISOR建立的蓄电池仿真模型，共有5个子模块：模块1为蓄电池组开路电压和内阻计算模块；模块2为电流计算模块；模块3为功率限制模块，确保电机功率在合理范围内；模块4为SOCbat(蓄电池剩余电量百分比)估计模块，其功能是依据蓄电池电流估计电池实际SOCbat值；模块5为蓄电池热模型模块，用于估计单体动力蓄电池内部和外部工作温度，确定蓄电池参数指标。

模块4中，蓄电池SOCbat值的计算式为：

(1)

1.2 超级电容建模

图2为二次开发后的超级电容仿真模型，由4个模块组成:模块1为超级电容开路电压模块；模块2为电流计算模块；模块3为功率计算模块，模块4为温度计算模块。

模块3中，超级电容SOCcap值的计算式为：

(2)

其中：SOCcap为超级电容剩余电量百分比；Qre为超级电容剩余电量；Ucap、Umax、Umin分别为超级电容剩余电压、最高电压、最低电压；C为超级电容容量。

1.3 DC/DC建模

复合电源动力系统中DC/DC效率转换器建模有两种方法[1-2]：①根据实际电气模型和数学模型搭建DC/DC效率转换器；②根据DC/DC转换器功率传递效率建模。本文采用第2种方法建模，建立的双向DC/DC效率转换器仿真模型如图3所示。

2 复合电源控制策略建模

2.1 控制策略选择

复合电源控制策略是在满足整车动力性要求和正常行驶前提下，合理分配超级电容和蓄电池的输入、输出功率，并最大限度地回收制动能源，提高行驶里程，延长复合电源动力系统使用寿命。制定复合电源控制策略时应遵循以下原则[3]：

(1) 根据车辆的实际情况，合理分配驱动电机对复合电源动力系统的需求功率，当电动汽车需要大功率时，蓄电池承担大部分功率需求，额外功率需求由超级电容提供。

(2) 制动过程中，主要由超级电容回收制动产生的能量，蓄电池辅助超级电容回收制动能量，避免蓄电池回收电流过大对电池造成损害，当蓄电池SOCbat值较低时，优先给蓄电池充电。

复合电源动力系统控制策略主要有：模糊控制策略、基于逻辑门限控制策略、基于车速功率分配策略等。基于控制目标的考虑[4]，本文研究选取模糊逻辑控制策略。

图1 建立的蓄电池仿真模型

图2 二次开发后的超级电容仿真模型

图3 双向DC/DC效率转换器仿真模型

模糊控制包括驱动控制器和制动控制器，输入变量为电机需求功率Preq、蓄电池提供功率Pbat和超级电容提供功率Pcap；单输出变量为超级电容功率分配因子Kuc。其中制动控制器没有电机需求功率的输入。4变量之间存在如下关系：

Kuc=Pbat/Preq.

(3)

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

(4)

2.2 驱动控制器设计

因为Pbat和Pcap需要考虑其SOC状态，故本文变量为Preq、SOCbat、SOCcap、Kuc。根据经验确定模糊集合分别为：Preq={TS S M B TB}，表示为{较小 小 中 大 较大}；SOCbat={L M H}，表示为{低 中 高}；SOCcap={L M H}，表示为{低 中 高}；Kuc={TS S M B TB}，表示为{较小 小 中 大 较大}。驱动隶属度函数和模糊规则如图4和表1所示。

图4 驱动隶属度函数图

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

2.3 制动控制器设计

制动控制的输入、输出变量设计过程与驱动控制相似，其隶属度函数和模糊规则如图5和表2所示。

根据上述模糊控制规则进行设计，得到的仿真模型如图6所示。

将复合电源动力系统仿真模型(如图7所示)、控制策略嵌入ADVISOR顶层模型,再与传动模块组合，即为复合电源整车仿真模型。

3 仿真结果与分析

3.1 仿真对象

现针对一款微型电动轿车进行仿真分析，在原车辆参数的基础上为其选配了展枭公司CLQ1100S1B超级电容。整车主要参数如表3所示。

图5 制动隶属度函数图

KucPreqTLLMHSOCbatLBMSTSMMBSTSHBBMM

图6 模糊策略仿真模型

3.2 整车性能仿真

选取NEDC循环工况，分别进行了单一电源模型和本文所构建复合电源模型的仿真分析。仿真结果如表4所示。

从表4可知，仿真计算结果与车辆实际数据吻合，且复合电源动力系统整车性能优于单一电源动力系统，说明所构建的复合电源动力系统模型正确、有效，仿真结果真实、可信。

3.3 复合电源工作状态仿真和分析

国内循环工况是依据欧洲NEDC循环工况测试而来，本文选取NEDC循环工况对复合电源和单电源蓄电池的电流进行比较分析。

图7 复合电源动力系统仿真模型

图8为NEDC工况下复合电源与单电源仿真结果对比。由图8可知：1 100 s左右复合电源电动汽车需求功率达到最大值，单电源蓄电池最大电流接近150 A，复合电源蓄电池电流为100 A左右，此时超级电容与蓄电池共同提供峰值功率；1 180 s左右单电源回收电流接近50 A，复合电源为5 A左右，超级电容回收电流接近30 A，避免较大回收电流对蓄电池冲击。说明加入超级电容起到削峰填谷作用和保护蓄电池作用。

表3 复合电源汽车整车主要参数

表4 单电源与复合电源仿真结果

4 结论

本文构建了基于模糊控制的复合电源电动汽车仿真模型，针对某款微型电动汽车进行分析，得出以下结论:

(1) 所构建的模型和所设计的模糊控制策略真实、有效。复合电源动力系统参数设计能够满足整车行驶工况的要求。

(2) 所设计的模糊控制策略能够更有效地回收制动能量，避免较大回收电流对蓄电池造成损害，同时在电机需求功率较大时，超级电容提供一定功率，提高了能源利用率。

(3) 加入超级电容能够起到削峰填谷的作用，延长蓄电池使用寿命并增加单次充电续航里程。

图8 NEDC工况下复合电源与单电源的电流仿真对比