纯电动汽车电池管理系统控制策略的研究

王宏朋 黄凯 邱焕尧

摘 要：对于纯电动汽车，电池管理系统对整车动力性、续航里程等性能起着重要作用。文章通过对门限逻辑控制策略开发过程的分析，找出了其存在的不足，并对其进行优化。进而以某汽车为研究对象建立了整车模型，对优化结果进行仿真分析。

关键词：纯电动汽车；电池管理系统；控制策略

中图分类号：U462.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-12-03

Abstract： For blade electric vehicles， the battery management system plays an important role in the performance of the vehicle's power performance and continue voyage course. This article analyzes the development process of the threshold logic control strategy， finds out its shortcomings， and optimizes it. Furthermore， an simulation model was established as a research object， and the optimization results were simulated and analyzed.

Keywords： blade electric vehicles； battery management system； control strategy

CLC NO.： U462.3 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-12-03

1 前言

隨着电动汽车的不断发展，由于短期内在电池技术方面很难取得重大进展，所以对汽车从业人员来说运用现有技术提高电动汽车动力性经济性变得很重要。本文通过对门限逻辑控制策略、以及复合电源特性的分析，对门限逻辑控制策略进行优化。并以某汽车为研究对象建立了整车模型，分析优化结果的可靠性。对复合电源控制策略的进一步发展具有重要作用。

2 门限逻辑控制策略的开发

2.1 先求出运行工况下的平均功率

不同的运行工况，驱动电机对复合电源的功率需求也不一样。平均工况有正负之分，需要分开来求。正平均功率为汽车行驶过程中对电池的需求功率，负平均功率为汽车制动过程产生的功率[1]。

平均功率计算过程：本文主要采用的循环工况为美国UDDS、欧洲NEDC和中国典型城市循环工况作为动力性经济性的循环工况。三种工况的具体参数在ADVISOR[2]内均存在，参数存储路径为：ADVISOR/GUI/optionlists/ all_menus. mat。在Workspace内提取三种工况的具体参数，利用Matlab求和公式求取正负功率需求。表1是UDDS、NEDC、中国典型城市循环工况所统计出的电机对复合电源的正负平均功率需求。根据计算可得到三种工况的平均正负需求功率为：Pave=5.4kw；-Pave=-1.246kw。

2.2 根据本文研究汽车特性时

正负平均功率由蓄电池来提供。如果Preq

2.3 如果Preq>Pave并且超级电容的SOC>0.25时

蓄电池和超级电容共同工作。需求功率超过平均功率的部分需要通过滤波函数F1（s）来滤除，防止过大功率对蓄电池造成冲击。滤波函数F1（s）如下式所示：

如果Preq>Pave并且超级电容的SOC<0.25时，说明超级电容的电量比较低，超级电容此时不能提供所需功率，此时电机需求功率仅由蓄电池单独提供。此时同样需要滤波函数F2（s）来控制蓄电池的放电功率，防止蓄电池过放。

2.4 如果Preq<-Pave并且超级电容的SOC<0.95时

制动产生的能量首先由超级电容来回收至超级电容的SOC值达到设定的最高值时停止，剩余能量由蓄电池回收。

2.5 如果Preq<-Pave并且超级电容的SOC>0.95时

为防止超级电容过充，禁止超级电容回收能量。产生的能量全部由蓄电池单独回收。此时仍需引入滤波函数F2（s）来控制蓄电池的充电功率，防止蓄电池过充。滤波函数F2（s）如式2所示：

2.6 如果Preq>-Pave时

仅由超级电容进行制动能量回收，蓄电池不参与工作。

3 控制策略优化

3.1 门限逻辑存在的问题

本文研究对象选用超级电容串联逆变器的复合电源连接方式，并在上文建立了相应的门限逻辑和双向DC/DC逆变器。根据逻辑门限的控制策略可知：功率总线需求功率被分成两部分，一部分由蓄电池提供，一部分由超级电容提供。在门限逻辑控制策略的第2.4、2.5、2.6三种情况下，并没有考虑到蓄电池给超级电容充电的情况。在多个连续工况的仿真结果中也可以看出：超级电容的SOC2值迅速下降后并不能快速回升，造成这种现象的主要原因是制动回收的能量不足以迅速补充超级电容的能量消耗。这会导致超级电容的SOC2值长时间保持在较低范围内，降低了复合电源的利用率。

由于存在以上分析的问题，造成中国典型城市循环工况下超级电容的SOC2值在3000s之后超级电容的SOC2值一直在较低范围内变化。其他循环工况下也存在相同的问题。

3.2 新模块的建立过程

本节根据门限逻辑控制策略存在的问题，设计了蓄电池在一定条件下给超级电容充电的控制策略，借助Matlab/ Simulink平台建立充电仿真模型，具体设计如下：

蓄电池给超级电容充电之前先检测四个变量：当前的实际车速是否为匀速、当前车速是否小于20km/h、当前超级电容SOC2值是否低于规定值0.8、当前蓄电池SOC值是否高于规定值0.2。当四个条件同时满足时，蓄电池可以给超级电容充电。否则，蓄电池不能给超级电容充电。

3.2.1 当匀速车速大于20km/h时蓄电池不向超级电容充电

减少蓄电池大电流放电几率；当蓄电池SOC<0.2时，蓄电池可提供功率很小，其功率全部用来直接驱动汽车行驶；当超级电容SOC2>0.8时，蓄电池不向超级电容充电，流出足够余量保证制动时回收的能量优先由超级电容回收。

3.2.2 根据超级电容最大功率的设计

超级电容能提供10s峰值助力，以超级电容每秒提供的能量作为超级电容平均功率，蓄电池为超级电容充电时以此平均功率为超级电容充电。

3.2.3 考虑门限逻辑中对蓄电池的可提供功率的限制

蓄电池并不一定能提供和超级电容平均功率同等大小的功率。此时，为保证蓄电池电流的浅充浅放用蓄电池当前容量0.25C的放电倍率放电，用此时的电池功率与超级电容的平均功率作比较，取两者值绝对值中的较小者为蓄电池给超级电容的充电功率。

3.2.4 超级电容的充电借鉴制动能量回收的思路

以输入负功率的形式给超级电容充，同时以输入同等正功率的形式向蓄电池请求相同功率。

4 前后优化结果对比

4.1 超级电容变化

建立完模块后再进行动力性经济性仿真分析，在中国典型城市循环工况下的SOC变化曲线中加入了充电模块后的超级电容SOC2变化曲线，分析可得，当SOC=0.2时，SOC2迅速下降，蓄电池不再给超级电容充电，验证了模型的正确性。在不含充电模块的超级电容SOC2变化曲线中，在4000s以后超级电容的SOC2不能再恢复到高水平，限制了复合电源的作用。其余工况下的变化曲线和中国典型城市工况下变化曲线类似。

4.2 续驶里程变化

由于蓄电池的充电，复合电源可以发挥最大作用，避免了由于超级电容容量下降不能提供峰值功率的缺陷。通过向超级电容充电也降低了蓄电池大电流放电的几率，使得蓄电池可以浅充浅放，延长了蓄电池的放电时间和续驶里程。表2为三种工况续驶里程优化前后对比表。

由表2得，新型模块的加入改善了复合电源的性能。由于超级电容可以充分发挥大电流充放电的性能，减少了蓄电池后期大电流放电的几率，电池电流的浅充浅放延长了电池使用壽命和放电时间，增加了续驶里程，达到了优化的目的。

参考文献

[1] 乐智，周荣，徐枭. 基于循环工况的纯电动汽车动力系统匹配研究[J].北京汽车，2011，（02）：27-29.

[2] 曾小华，ADVISOR 2002电动汽车仿真与再开发应用[M].机械工业出版社，2014.

[3] 董昊龙.纯电动车复合电源系统及其管理策略研究[D].北京工业大学，2013.

[4] 肖明，张逸成等.燃料电池汽车用DC/DC变换器的控制策略及仿真[J].低压电器，2002.

[5] 刘浩，韩晶.MATLAB R2012完全自学一本通.电子工业出版社， 2014.