电动汽车复合电源控制策略

周美兰　刘占华　郭金梅

摘要：针对电动汽车行驶里程短和复合电源系统中功率分配的问题，提出了逻辑门限控制策略和模糊逻辑控制策略对复合电源系统进行研究，使蓄电池向电机提供平均功率，超级电容向电机提供瞬时功率和峰值功率。基于常规复合电源模糊控制模型，考虑电机制动和液压制动共同为电动汽车提供制动力，建立新型复合电源系统模糊控制模型。实验结果表明：复合电源相对于单一蓄电池电源在电池SOC、能量回收率和电动汽车行驶里程有很大提升，模糊控制策略相对于逻辑门限控制策略提高了超级电容利用率并且降低了电池电流幅值，更好地保护了蓄电池。

关键词：

电动汽车;逻辑门限控制策略;模糊逻辑控制策略;复合电源

DOI：10.15938/j.jhust.2019.01.007

中图分类号： TM91

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）01-0041-07

Control Strategy of Hybrid Electric Vehicle

ZHOU Mei lan 1，LIU Zhan hua 1，GUO Jin mei 2

（1 School of Electrical and Electronics Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China; 2 School of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Far East Institute of Technology，Harbin 150025，China）

Abstract：Regarding the problem of the short range of electric vehicles and the power allocation in hybrid power supply system，the logic threshold control strategy and fuzzy logic control strategy are proposed to study the hybrid power supply system，where the battery provides the average power to the motor，and the super capacitor provides instantaneous power and peak power to the motor Based on the traditional fuzzy control model of the hybrid power supply，a new fuzzy control model is proposed to provide the braking force for the electric vehicle，in which motor brake and hydraulic brake together to provide braking force for electric vehicles Experimental results show that，hybrid power supply with respect to a single battery power has been greatly improved in the battery SOC，energy recovery and the range of electric vehicles Compared with the logic threshold control strategy，the fuzzy control strategy improves the utilization ratio of the super capacitor and reduces the amplitude of the current of the battery，therefore the fuzzy control strategy can protect the battery better

Keywords：electric vehicles;logic threshold control strategy;fuzzy logic control strategy; hybrid power supply

0引言

隨着石油和天然气资源日益枯竭以及雾霾和气候变暖等环境问题日益严重，电动汽车以节能环保的优势成为汽车行业发展的一种必然趋势。但是，由于蓄电池功率密度小和循环使用寿命短等因素，限制了电动汽车的快速发展[1-2]。针对这些不足，复合电源系统将超级电容作为辅助动力源，充分发挥超级电容充放电速度快、功率密度高以及循环使用寿命长的优势。复合电源系统将超级电容和蓄电池进行优势互补，可以使电动汽车的整体性能得到很大的提升[3-4]。

复合电源能量管理系统对蓄电池和超级电容之间的功率分配由相应的控制策略进行控制，使电动汽车在运行过程中平均功率由蓄电池提供，瞬时功率和峰值功率由超级电容提供，有效的解决了电动汽车动力不足的问题[5-6]。胡建军等[7]采用模糊控制策略讨论了不同复合储能装置参数对能量回收率和行驶里程影响。王琪等[8]分析了滤波器控制策略和模糊控制策略对超级电容利用率以及复合电源中功率分配的影响。张雷等[9]讨论了再生制动和液压制动防抱协调控制对车辆的制动稳定性和舒适性影响。黄智奇等[10]采用分段控制策略的方法讨论了三种制动工作模式下电动汽车制动性能和能量回收效率。

本研究对复合电源系统进行研究，将逻辑门限控制策略和模糊控制策略在Matlab/Cruise环境下联合仿真，通过对两种控制策略控制下的蓄电池和超级电容功率分配情况以及蓄电池的电流和电量使用情况进行分析，得出模糊逻辑控制策略和逻辑门限控制策略，在电动汽车复合电源能量分配、整车效率以及超级电容使用率上哪一种控制策略更适合。

1复合电源系统

复合电源系统整体结构如图1所示，超级电容经过双向DC/DC变换器与蓄电池并联至直流总线连接电机控制器调控电机运行状况。蓄电池决定直流总线电压，直接为电机提供功率，提高能量转换效率;超级电容可以进行瞬时大电流充放电，进而快速回收车辆制动时产生的能量，通过与双向DC/DC变换器串联调节自身电压，在车辆启动、爬坡以及加速时为电机提供功率[11]。

目前复合电源控制策略主要有三种：模糊控制策略、逻辑门限控制策略以及滤波器控制策略，其中模糊控制策略和逻辑门限控制策略都是基于控制规则的控制策略并且模糊控制策略相对于逻辑门限控制的区别在于门限值进行了模糊化处理，滤波器控制策略是基于控制超级电容的电压来调节蓄电池与超级电容之间的功率分配，但是滤波器控制策略复杂，很难实现合理分配复合电源能量[12]。因此，本研究采用逻辑门限控制策略[13]和模糊控制策略对复合电源系统进行控制，通过仿真实验证明两种控制方法的有效性。

2逻辑门限控制策略

电动汽车处于制动状态时，复合电源系统对电机产生的能量进行回收，如果双向DC/DC变换器效率低，电机产生的大电流将回馈至蓄电池，对蓄电池造成冲击，严重影响蓄电池的使用寿命[14-15]。逻辑门限控制策略可以对蓄电池和超级电容之间功率进行合理分配，充分发挥超级电容对蓄电池“削峰填谷”的优势。依据电动汽车运行过程能量消耗状况，将平均功率和峰值功率分别由蓄电池和超级电容提供。

电机处于电动状态时逻辑规则如下：

电机的需求功率Preq小于平均功率Pave时，蓄电池向电机提供需求功率。

电机的需求功率Preq大于平均功率Pave时，如果超级电容荷电量SSOC大于超级电容荷电量阈值下线SSOCmin时，蓄电池和超级电容共同为电机提供功率，否则蓄电池向电机单独提供需求功率。

电机处于制动状态时逻辑规则如下：

如果超级电容荷电量SSOC高于其阈值上限SSOCmax时，蓄电池回收电机产生的能量，否则超级电容回收电机产生的能量，减少蓄电池充电次数，延长蓄电池使用寿命。本研究制定的逻辑门限控制策略如图2所示，其中蓄电池提供的功率用PB表示，超级电容提供的功率用PS表示。

在MatlabB/Simulink中搭建逻辑门限控制策略，结合超级电容特性对超级电容阈值上限SSOCmax取值为0 95和下限SSOCmin取值为0 5，逻辑门限控制策略的Simulink模型图如图3所示。

3模糊控制策略

模糊控制将专家或操作人员的经验编辑成模糊控制规则，对传感器的实时信号进行模糊化处理，并且将模糊化后得到的信号经模糊规则推理，然后将输出量进行解模糊化处理，最后将输出信号作用于执行器。由于其鲁棒性好，可以增强控制系统的适应能力。本研究采用Mamdani型模糊控制器，采用三输入单输出结构，结构图如图4所示。

3 1制动力模糊控制器设计

电动汽车处于制动状态时，电机制动系统和液压制动系统共同提供车辆制动所需的制动力[16]。

F=F e+F m（1）

F e=K 1F（2）

式中：F为车辆所需制动力;F e为电机制动力;F m为液压制动力;K 1为电机制动力占车辆所需制动力的比例。

模糊控制器1的输入变量：车速Speed、制动力Force和锂电池荷电状态BSOC;输出变量：电机制动力的比例K 1 。模糊控制器1的输入输出子集如表1所示。

模糊控制器1的变量隶属度函数如图5所示。

模糊控制器1的逻辑控制规则如表2所示。

模糊控制器1的逻辑控制规则输出界面如图6所示。

3 2电机功率控制器设计

3 2 1电机电动状态

电机处于电动状态时，电机需求功率由蓄电池和超级电容共同承担[17]。

P=PS+PB（3）

PS=K 2P（4）

式中：P为电机需求功率;PS为超级电容提供功率;PB为蓄电池提供功率;K 2为超级电容提供功率占需求功率的比例。

模糊控制器2的输入变量：电机需求功率Power、锂电池荷电状态BSOC和超级电容荷电状态SSOC。输出变量：超级电容功率分配因子 K 2。

模糊控制器2的輸入输出子集如表3所示。

模糊控制器2的变量隶属度函数如图7所示。

模糊控制器2的逻辑控制规则如表4所示。

模糊控制器2的逻辑控制规则输出界面如图8所示。

3 2 2电机发电状态

电机处于发电状态时，电机制动所产生的功率由蓄电池和超级电容共同回收[18]。

P=PS+PB（5）

PS= K 3 P（6）

式中：P为电机需求功率;PS为超级电容提供功率;PB为蓄电池提供功率;K 3 为超级电容回收功率占总功率的比例。

模糊控制器3的输入变量：再生制动力的比例Fr、锂电池荷电状态BSOC、超级电容荷电状态SSOC;输出变量：超级电容功率分配因子 K 3 。模糊控制器3的输入输出子集如表5所示。

模糊控制器3的变量隶属度函数如图9所示。

模糊控制器3的控制规则如表6所示。

模糊控制器3的逻辑控制规则输出界面如图10所示。

3 3模糊控制模型搭建

本研究对制动力的分配和电机功率分配分别制定模糊控制策略，并在Matlab/Simulink中搭建复合电源系统模糊控制策略模型。复合电源模糊控制模型如图11所示，图中模糊逻辑控制1为制动力分配策略，模糊逻辑控制2为电机处于电动状态时复合电源能量分配策略，模糊逻辑控制3为电机处于制动状态时复合电源能量分配策略。

4控制策略实现与仿真分析

4 1控制策略实现

在AVL CRUISE平台搭建电动汽车复合电源整车模型，并对模块间的数据线和信号线进行连接，与此同时嵌入逻辑门限控制策略和模糊控制策略[19-20]。AVL CRUISE平台上搭建的复合电源系统整车模型如图12所示。整车参数如表7所示。选择China工况作为测试工况，如图13所示，China工况被使用在电动汽车性能测试，其中包括车辆启动、加速、减速以及制动过程。

4 2仿真分析

图14包含逻辑门限控制策略和模糊控制策略仿真结果，从图14（a）、（b）可以看出启动状态时，模糊控制策略控制锂电池提供较少的瞬时功率，与此同时，模糊控制策略控制的超级电容提供较多的瞬时功率，避免了启动时锂电池大电流放电;减速/加速状态时，模糊控制策略相对逻辑门限控制策略更好地实现锂电池向电机负载提供平均功率以及超级电容向电机负载提供峰值功率;制动时，模糊控制策略相对于逻辑门限控制策略优先给超级电容充电，减少了电池循环充放电次数。

从图14（c）可以看出复合电源相对于单一电源锂电池的SOC下降速度缓慢，可以充分说明复合电源可以延长电动汽车行车里程，与此同时通过对比逻辑门限控制策略和模糊控制策略下锂电池的SOC变化，可以看出模糊控制策略控制的锂电池SOC下降速度最慢，说明模糊控制策提高超级电容的利用率。

从图14（d）可以看出锂电池提供电动汽车所需的驱动/平均功率，超级电容提供纯电动汽车所需的峰值功率，锂电池和超级电容回收电机制动系统产生的功率，与此同时，模糊控制策略充分发挥超级电容削峰填谷的作用，避免锂电池大电流充放电，对锂电池进行保护。

通过对Cruise内数据的采集并进行汇总统计如表8所示，其中：再生制动效率为电动汽车制动时能量回收的次数，整个系统的效率为再生制动回收的能量占总制动时的能量。从表8中可以清楚看到复合电源相对于单一电源可以提升整车系统效率，延长锂电池使用寿命。通过对复合电源模糊控制策略和逻辑门限控制策略对比可知，在行车安全和稳定性前提下，复合电源模糊逻辑控制策略能够更多地回收车辆再生制动所产生的能量，对延长电动汽车行驶里程具有十分重要的意义。

5结论

本文深入研究了逻辑门限控制策略和模糊逻辑控制策略，基于Matlab/Cruise联合仿真，在China工况下进行仿真实验，得到如下结论：

1）模糊控制策略和逻辑门限控制策略能够合理分配锂电池和超级电容的功率，充分发挥超级电容“削峰填谷”以及快速大电流充放电作用，减少锂电池的循环充放电次数，延长锂电池的使用寿命，模糊控制策略能够实现更好的控制效果。

2）超级电容为负载提供峰值功率和瞬时功率，进而实现了对锂电池进行功率补偿的作用，与此同时，超级电容在行车安全的前提下充分回收车辆制动时产生的能量，提高了电动汽车的动力性能。本文所研究的逻辑门限控制策略和模糊控制策略以及仿真结果对复合电源电动汽车的研究具有一定的参考价值。

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