基于ADVISOR的双能量源纯电动汽车仿真＊

张昌利 张瑾瑾 杨盼盼

（长安大学信息工程学院1） 西安 710064） （长安大学电子与控制工程学院2） 西安 710064）

纯电动汽车因为高效率、低噪声、零排放等显著优点，在节能和环保方面具有无可比拟的优势，其应用和普及是汽车工业可持续发展的必然趋势［1］.与单一能量源的纯电动汽车相比，将高比能量的蓄电池和高比功率的超级电容结合起来形成主辅双能量源存储系统，更能满足纯电动汽车行驶中对能量和功率的双重要求，同时增强车辆的续驶能力和动力性能［2］.目前，国外对双能量源纯电动汽车的研究相对深入，已有车型问世；国内的研究和应用则刚刚起步，仍处于建模、仿真和实验验证阶段［3－5］.

ADVISOR是由美国国家再生能源实验室开发的一款最具代表性的电动汽车仿真软件，使用前向仿真和后向仿真相结合的混合仿真方法，具有车辆总成参数匹配与优化、车辆传动系统和驱动系统间能量转化分析、不同循环工况下排放特性和能量消耗对比、车辆能量管理策略评价、整车综合性能预测和分析等功能［6－7］.但是，由于软件中车辆的结构形式固定有限，目前ADVISOR仍无法对双能量源纯电动汽车进行仿真.

针对上述情况，本文以蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车作为研究对象，建立了双能量源存储系统的功率分配模糊控制策略，在开源ADVISOR 2002软件之上进行了双能量源模糊控制建模和关键程序二次开发，得到了适合于双能量源纯电动汽车仿真的专用平台，并结合典型的循环工况对双能量源纯电动汽车的整车动力性能进行了仿真研究，从而为车辆部件选型、参数匹配与优化、样车研发等提供技术支持.

1 双能量源存储系统

纯电动汽车采用的蓄电池－超级电容双能量源存储系统如图1所示.蓄电池为车载主能量源，具有比能量高、续航时间长、价格便宜等优点，但循环寿命低、不适合大电流放电，主要用于满足车辆对比能量和循环寿命的要求.超级电容为辅助能量源，具有比功率高、循环寿命长、瞬时放电电流大、充电时间短等特点［8］，主要用于在车辆加速或爬坡时提供短时的大功率输出.蓄电池和超级电容组成并联结构，通过DC／DC变换器对超级电容的端电压进行调节，并按照一定的控制策略实现功率分配.

图1 蓄电池－超级电容双能量源存储系统

蓄电池－超级电容双能量源存储系统的工作过程为：当汽车起步时，超级电容优先大电流放电，启动汽车；当汽车正常行驶时，蓄电池和超级电容按照一定的分配比例同时对外输出功率；当汽车加速或爬坡时，蓄电池和超级电容同时输出大电流以满足电机的高功率需求；当汽车制动时，电机工作于再生制动状态，按照超级电容优先的原则利用制动回收能量同时给两种能量源充电.

2 双能量源存储系统模糊控制策略

根据上节分析，设计蓄电池－超级电容双能量源存储系统的功率分配模糊控制策略［9］如图2所示，主要由2个模块组成.模糊控制器模块包含电机需求功率（再生制动状态下取负值）、蓄电池荷电状态SOC、超级电容荷电状态SOC 3个输入值，根据一定的模糊控制规则输出需求功率的分配比例，本文取蓄电池分配额占总需求功率的比例作为输出值.需求功率分配模块根据功率分配比例，将总的需求功率在蓄电池和超级电容之间进行分配.

图2 双能量源存储系统的模糊控制策略结构

按照高斯型隶属度函数的定义，取模糊控制器模块各输入变量的模糊集合为E（Preq）＝｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，E（BSOC）＝｛LE，ME，GE｝和E（CSOC）＝｛LE，ME，GE｝，取输出变量的模糊集合为E（Kbat）＝｛LE，ML，ME，MB，GE｝.其中，Prq、BSOC、CSOC、Kbat分别为需求功率、蓄电池SOC、超级电容SOC及输出的蓄电池功率分配比例，各模糊值含义为NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）、LE（较小）、ML（中小）、ME（中）、MB（中大）、GE（较大）.则可制定出表1所示的模糊规则集.

表1 双能量源存储系统的功率分配模糊规则

3 基于ADVISOR的双能量源模糊控制建模与仿真软件二次开发

本节在开源ADVISOR 2002软件之上，通过双能量源模糊控制建模与关键程序二次开发，实现适用于双能量源纯电动汽车（记为EV＿DESS）的整车动力性能仿真软件平台.

3.1 双能量源存储系统的模糊控制策略建模

在ADVISOR支持的单能量源纯电动汽车模型EV的基础上，设计蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车的顶层结构模型如图3所示，模型文件命名为EV＿DESS.mdl存放于models子文件夹中.

相比于EV，EV＿DESS新加了超级电容模块＜ess2＞，DC／DC变换器模块＜dcdc＞和控制策略模块＜ctr＞.其中，＜ess2＞来自ADVISOR模块库，其路径为lib＿energy＿storage／ESSChoices／Ultra－capacitor；＜dcdc＞和＜ctr＞为自定义模块，前者用于调整超级电容的端电压，后者用于对＜ess＞、＜ess2＞的功率分配进行控制.根据表1，设计＜ctr＞模块的Simulink模型如图4所示.

图3 蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车EV＿DESS的顶层结构模型

图4 双能量源存储系统模糊控制策略的Simulink模型

3.2 ADVISOR关键程序二次开发

为了使EV＿DESS车型能够在ADVISOR平台上正确加载、配置和仿真，还需对该软件的部分关键程序进行如下的深度二次开发.

首先，在saved＿vehicles子文件夹中新建EV＿DESS＿defaults＿in.m文件，对EV＿DESS的车辆总成参数进行配置.文件的主体部分仿照EV车型，并增加了超级电容的配置信息，主要代码为：

其次，以EV车型为蓝本绘制EV＿DESS的车型图，区分蓄电池和超级电容两种能量源.将车型图文件命名为electric＿dess.jpg，存放于gui子文件夹中.

再次，在MATLAB命令行环境应用gui子文件夹中定义的optionlist函数，对车辆数据进行增删、读取和修改等操作，具体命令包括：

进而，对与主界面相关的多个m文件进行修改，以正确加载EV＿DESS车型.比如，在文件InputFigControl.m中“case drivetrain”语句下面增加：

表明EV＿DESS车型中没有这些部件总成，主界面中的对应控件将显示为不可用.在文件gui＿image.m中“switch drivetrain”语句下面增加：

设定车型图片中各零部件的具体位置，用于响应主界面上用户的鼠标点击事件.在文件block＿diagram＿name.m中“switch drivetrain”语句下面增加：

使EV＿DESS车型与顶层结构模型关联起来.

最后，要实现对EV＿DESS车型的正确仿真，还需对其它大量的m文件进行修改，涵盖了ADVISOR软件的大部分主干内容.但是，与前述改动不同，这些改动相对简单，基本上具有类似的模式.

4 仿真分析

为了分析和验证蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车的特点，选用美国丹弗客车工况CYC＿BUSRTE、中心商业区工况CYC＿CBD14进行仿真分析.其中，汽车整车及电机、蓄电池和超级电容的部分参数见表2.

表2 蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车参数

表3从经济性和动力性2个方面列举了蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车的ADVISOR仿真结果，可见CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14两种循环工况下的百公里电能消耗互不相同.其主要原因是CYC＿BUSRTE工况中制动频繁，超级电容在制动过程中发挥了更好的能量回收作用，使能量利用率得到提高，汽车的续驶里程也相应增加.

此外，CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14两种循环工况下蓄电池和超级电容的SOC及电流变化情况如图5所示.可见，采用本文的双能量源存储系统的功率分配模糊控制策略，可以充分发挥超级电容的“削峰填谷”作用，避免了蓄电池的大电流充放电，使蓄电池的功率输出尽可能保持恒定和平滑，从而提高双能量源存储系统的循环寿命；可以增强制动能量的回收能力，提高蓄电池－超级电容双能量源系统的充放电效率，从而在提高纯电动汽车续驶里程的同时，提高整车的动力性能，达到动力性和经济性的统一.

表3 两种循环工况下蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车的ADVISOR仿真结果

图5 2种循环工况下蓄电池、超级电容的SOC及电流变化情况

5 结束语

针对蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车，建立了双能量源存储系统的功率分配模糊控制策略.在电动汽车仿真软件ADVISOR之上通过双能量源模糊控制建模和关键程序二次开发，获得了适合蓄电池－超级电容双能量源纯电动汽车仿真的专用软件平台，扩充了ADVISOR软件的车型支持范围.结合CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14两种循环工况，对双能量源纯电动汽车进行了整车动力性能仿真.仿真结果表明，采用蓄电池－超级电容双能量源存储系统，能够同时满足纯电动汽车对能量和功率的双重要求，车辆的经济性和动力性同时得到了提高.

［1］陈全世，朱家琏，田光宇.先进电动汽车技术［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］王志福，陈 伟，叶辉萍.加装超级电容纯电动汽车的性能分析［J］.机械工程学报，2005，41（12）：82－86.

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［9］曾光奇，胡均安，王 东.模糊控制理论与工程应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2006.