混合动力汽车能量控制系统的研究①

2018-08-03

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年4期

(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南 232001)

0 引言

随着环境污染，能源枯竭的情况日益加重,发展更加环保的汽车也成为了必然趋势[1]。但是随着日益增长的复杂交通环境要求汽车频繁的制动、启动。此时需要汽车内部的电池能够承受充放电电流，而如此频繁的充放电会大大降低蓄电池的寿命。而储能元件超级电容具有充放电速度快，大电流适应能力强等特点。因此现在市场上占绝大多数的混合动力汽车采用二者结合作为储能系统[2]。

由于目前复合电源的工作环境较为复杂，创建具体的模型较为困难。因此采用模糊控制法，并依照蓄电池和超级电容的特性优化模糊控制规则，改进模糊控制器结构。提高整体复合电源的工作效率。在分析该方法原理的基础上，搭建了Matlab/Simulink仿真模型并在advisor中进行仿真实验。

1 复合电源的结构和工作模式

蓄电池拥有良好的比能量，超级电容有良好的比功率。复合电源采取将二者并联，来将两者的优点结合起来[3～5]。现在复合电源为了更好利用超级电容的比功率大充放电迅速的特点，多采用在两个功率器件之间加入DC/DC设备，为了平衡两电源之间的电压并管理两电源工作。其复合电源结构如图1。

图1 复合电源结构图

如图1所示，超级电容经过双向DC/DC与蓄电池并联。这样超级电容的输出电压可以跟随蓄电池端电压的改变而改变。此外超级电容工作时的电压波动范围较大，充电时电压为70V，放电时截止电压为42V[6]。而蓄电池的电压变化幅度相比于超级电容则相对平稳。因此通过将超级电容和DC/DC串联，来供给电机平稳的电压。

2 参数设置和安全限定

为了获取最大能源效率，要按照车辆正常运行时所需要的功率来对复合电源进行合理的功率调控，以保证复合电源运行在稳定的工作区域。

在低倍率的充放电的过程中电池的内阻变化不大，但在高倍率的充放电中电池的内阻会迅速增大,影响复合电源的整体功率。根据实际经验锂电池最好的工作SOC范围为[0.2,0.9][7]。当在这个工作范围时电池的内阻阻值由于工作温度的影响阻值较低，锂电池工作效率最高。其余范围内时电池的电阻会随着SOC的改变而迅速改变，影响电池工作效率。

超级电容方面，假设其以恒定的电流I放电，经时间t之后电容的电量由Q1降低到了Q2,电压从U1降到U2。则超级电容储存/释放的能量为

(1)

由式(1)可得，当超级电容的电量下降到了50%时，E会降低到25%。设定电容的内阻为Rc，则内阻消耗的功率

(2)

为了使电容工作在高效率的区间，其电容的SOC应该取高一点，则存储的能量为

(3)

由上式可得，当超级电容端电压为额定电压时

E=0.5UC

(4)

当电压下降一半时则

E=0.25UC

(5)

此时超级电容的SOC过低，输出效率不理想。根据过往的实际测试经验，一般取额定电压的60%以上的区域[8]。

3 复合电源的工作模式

复合电源的工作模式能量传递如图2所示，分为以下4种[9,10]：

1)当车辆匀速，正常运行时。由蓄电池单独提供。

2)当车辆在刚出发，提速和上坡情况状况时，由超级电容单独提供能量

3)当车辆处于持续加速和爬坡状况且单独超级电容无法满足功率需求的情况下，采用超级电容和蓄电池一起工作。

4)当车辆处于能量回收模式时，车辆减速。能量流向动力电池和超级电容。

图2 复合电源工作模式能量流向图

4 复合电源控制策略设计

根据上述复合电源的工作模式可知，复合电源有充电和放电两种工作模式。放电模式的主要重点是为了保证蓄电池可以平稳的输出电流，而充电状态是为了超级电容可以更快的快速的回收能量。针对上述情况设置了关于系统需求功率的两种模糊控制策略。

设系统需求功率Preq，蓄电池提供的功率为Pbat，超级电容提供的功率为Puc。定义动力电池的功率分配因数为Kbat，超级电容的分配因数为Kuc

Kbat=Pbat/Preq

(6)

KUC=PUC/Preq

(7)

根据各变量的限制条件有

Kbat+Kuc=1

(8)

SOCbat∈[0.2,0.9]

SOCuc∈[0.2,0.9]

1)当系统需求功率Preq>0时，复合电源处于放电模式。则基本控制策略为

(1) 若系统需求功率特别低时，若SOCbat充足，则蓄电池单独放电；若SOCbat适中则动力电池单独放电；如果SOCbat较低且SOCuc较高或适中则共同放电。其余蓄电池单独放电。

(2) 若系统需求功率较低时，若SOCbat较高，则蓄电池单独放电；若SOCbat适中则动力电池单独放电；如果SOCbat适中且SOCuc较高或适中则共同放电；如果SOCbat适中且SOCuc较高且SOCuc较高或适中则共同放电。其余动力电池单独放电。

(3) 若系统功率要求适中时，若SOCbat较高且SOCuc较高则共同放电。否则蓄电池单独放电；。如果SOCbat较低，则共同放电。

(4) 若系统需求功率较大时，则蓄电池和超级电容一起放电。

2)当系统需求功率Preq<0时,复合电源处于充电模式。则控制策略只和SOCbat，SOCuc有关。

若SOCuc较低则超级电容单独充电，若SOCbat较低，SOCuc较低，则同时充电，否则超级电容单独充电；若SOCuc适中，SOCbat较低或适中则动力电池和超级电容同时充电，否则超级电容单独充电；如果SOCuc较高，则动力电池和超级电容共同充电。

光靠经验上制定规则的模糊控制可能会造成过高功率输出。因此要在蓄电池的输出上加上限制模块防止过高功率输出。

使用Mamdani型模糊逻辑来设计模糊控制器.使用3输入1输出双模糊控制器的结构。3输入分别为Preq，SOCbat，SOCuc，输出为Kuc。双模糊控制器分别计算需求功率为正负时的情况。设输入量SOCbat，SOCuc的论域为[0.2，0.9]。Preq的论域为[0,10000]。

当需求功率大于0时，设Preq的模糊集合论域为[0，1],模糊集合为[TS、S、M、B]。SOCbat的模糊集合论域为[0.2,0.9],模糊集合为[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合论域为[0.2,0.9],模糊集合为[L、M、H]。Kuc的模糊集合论域为[0,1],模糊集合为[TS、S、M、B]。

当需求功率小于0时，则模糊控制策略中输入变量不包含Preq。其中SOCbat的模糊集合论域为[0,1],模糊集合为[L、M、H]。SOCuc的的模糊集合论域为[0,1],模糊集合为[TL、L、M、H]。Kuc的模糊集合论域为[0,1],模糊集合为[TS、S、M、B]。各输入输出量的隶属函数如下图所示。