發布時間：2022-04-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】 為節約能源、降低排放，油電混合的混合動力汽車得到大力發展，作為電機的儲能裝置，傳統的蓄電池功率密度低、循環壽命短，制約著混合動力汽車的發展。文章針對城市中運行的傳統小型客車，首先根據整車的性能完成了電機和復合電源儲能裝置的匹配設計，通過 DC-
【摘要】 為節約能源、降低排放，油電混合的混合動力汽車得到大力發展，作為電機的儲能裝置，傳統的蓄電池功率密度低、循環壽命短，制約著混合動力汽車的發展。文章針對城市中運行的傳統小型客車，首先根據整車的性能完成了電機和復合電源儲能裝置的匹配設計，通過 DC-DC 模塊實現復合電源的功能，從而利用超級電容“削峰填谷”的特性，降低了頻繁充放電對蓄電池性能的影響。其次，設計了基于發動機效率的模糊控制器，協調發動機與電機的轉矩分配，實現發動機在高效區運行。最后，將各模塊嵌入 ADVISOR 軟件中，在城市工況下對整車性能進行仿真試驗，驗證了文章提出的基于模糊控制策略的復合電源后軸驅動混合動力客車的性能。
【關鍵詞】 復合電源 超級電容 模糊控制 ADVISOR 軟件 混合動力
0 引言
隨著全球能源短缺、人們對于環境問題日漸重視，環境保護與新能源開發問題逐漸成為世界各國重點關注的熱點[1]。在這種形勢下，汽車行業對新能源汽車技術的研究大力發展，混合動力汽車已經成為解決環境問題和能源危機的重要方向[2]。傳統混合動力汽車多采用單一蓄電池作為電源，蓄電池存在重量大、功率密度低、快速充放電困難、循環壽命短等缺點，制約了混合動力汽車的發展[3]。超級電容器則具有比功率大、充放電迅速、壽命長等優點，將其與蓄電池并聯，構成復合電源系統，既能發揮兩者比能量和比功率的優勢，又能利用超級電容“削峰填谷”的特點緩解大電流對蓄電池的沖擊，從而延長電池的使用壽命，提高混合動力汽車的性能[4-7]。
提高混合動力汽車的燃油經濟性和排放性是混合動力汽車研究的重點和目標，其一方面取決于多動力源系統各部件的效率提高，更取決于整車的能量管理策略( 亦稱為控制策略、能量分配策略) 。作為智能控制之一的模糊邏輯控制，以模糊控制器為核心，協調車輛各部件的能量流動，是一種有效的控制技術，能夠使整車的性能達到最佳[8]。鄧國紅在《ISG 混合動力電動汽車的轉矩控制》一文中以發動機需求轉矩與當前最佳效率轉矩的比值和蓄電池 SOC 作為輸入，以電機轉矩作為輸出設計了模糊邏輯控制器[9]; 付主木在《并聯式混合動力汽車模糊控制策略及優化研究》一文中以混合動力汽車總需求轉矩和蓄電池 SOC 為輸入，發動機需求轉矩為輸出設計了模糊控制器[10]; 魯子卉在《混合動力電驅動系統的模糊控制策略研究》中以電池 SOC 和車輛負載功率為輸入，發動機目標功率為輸出設計了模糊邏輯控制器[11]; 李峰在《混合動力履帶車輛能量分配控制策略研究》中以電機的需求功率和電池 SOC 為輸入，發動機目標功率為輸出設計了模糊邏輯控制器[12]; 吳海嘯在《混合動力汽車的控制策略優化研究》中以電機轉速、蓄電池 SOC 和整車需求扭矩與發動機最佳扭矩的比值為輸入，發動機目標扭矩為輸出設計了模糊控制器[13]。
本文的目標是建立具有復合電源系統的后軸驅動混合動力客車，設計基于模糊規則的能量管理策略來驗證整車性能。首先，建立了客車的后軸驅動仿真模型，根據客車的性能要求，完成了電機和動力電池的匹配計算及建模。其次，設計了蓄電池 - 超級電容的復合電源系統以及 DC-DC 雙向變換器，實現復合電源的功率分配。再次，根據整車性能要求和行駛工況，建立基于發動機效率的模糊控制能量管理系統，實現整車能量分配。最后，將建立的整車模型、復合電源模型和能量管理策略嵌入 ADVISOR 軟件，進行整車性能仿真試驗，驗證了控制策略的有效性。
1 混合動力客車動力參數匹配及建模
1. 1 客車后軸驅動建模
以某小型客車為原型，設計混合動力客車，并對其進行參數匹配和建模。該客車原有參數如表 1 所示，其發動機參數如表 2 所示。
按照并聯混合動力汽車的結構，根據發動機的參數及其外特性曲線和萬有特性曲線，編寫 M 文件，建立該客車的發動機仿真模型。由于 ADVISOR動力驅動形式為前輪驅動，而該客車采用后輪驅動，因此在 ADVISOR 軟件中需要對牽引力控制模塊進行后軸驅動的再開發，主要對其中兩個模塊進行重新設計與計算: 其一為汽車牽引力控制模塊，主要限制牽引力不超過輪胎與地面的附著力; 其二為整車速度不能超過其最大牽引力所提供的最大車速[14]。如圖 1 所示為建立好的牽引力控制模塊。
1. 2 混合動力客車電機匹配
混合動力客車整車動力源的功率必須滿足汽車動力性能指標包括的最高車速、加速時間及最大爬坡要求的功率需求[14]。本客車的最高設計車速為 95 km /h，加速性能采用客車從初始速度 0 加速至行駛車速 60 km /h 的加速性能進行評價，客車在市區運行，爬坡度為 0. 1，在純電動模式下的客車車速為 40 km /h。根據車輛性能的要求，計算電機功率應大于 15. 88 kW，因此選擇額定功率為20 kW 的無刷直流電機，取其峰值功率為 40 kW。當混合動力客車在純電動模式下行駛時，電機通過主減速器直接驅動車輛，電機的最大轉速應滿足純電行駛的車速要求，經計算并考慮電機的過載系數，確定了電機的額定轉速為3 250 r/min。
根據計算確定的電機參數，選擇永磁無刷直流電機，電機參數如表 3 所示。
2 復合電源設計
復合電源采用蓄電池與超級電容并聯形式蓄電池為主電源，提供電機的平均需求功率，超級電容充分利用其快充快放的優點，作為輔助電源，在混合動力客車起步、爬坡、加速及制動等大電流工況下工作，發揮“削峰填谷”的作用，滿足瞬時功率需求，保護蓄電池，減少電流沖擊，從而延長蓄電池的使用壽命。
選擇中國典型城市工況，在 ADVISOR 中建立循環工況曲線，如圖 2 所示，循環時間為 1 304 s，最高車速為 60. 35 km/h，車輛行駛距離為 5. 87 km。
對該循環工況進行需求功率分解，對正負功率需求分別積分，從而求得客車驅動模式與制動模式下對應的正負能量需求，其中正能量需求為 1. 088 × 107 J，負能量需求為 - 2. 160 × 106 J。再對驅動和制動循環時間進行統計求和，得到驅動和制動模式下的平均功率需求約為 10 kW，最大峰值功率約為 36 kW。
2. 1 蓄電池參數匹配
根據整車性能和計算得到的平均功率需求，完成蓄電池的參數匹配計算和建模。參照 GB /T 31466 - 2005《電動汽車高壓系統等級》，確定混合動力客車蓄電池組的額定電壓等級為 144 V。電池組的參數須滿足以下兩個條件: 滿足車輛純電模式下續航里程的要求; 滿足指定循環工況的平均功率需求。
2. 2 超級電容參數匹配
由 DC-DC 功率轉換器的特性可知，當復合電源系統中超級電容與蓄電池組的電壓等級接近時，DC-DC 功率變換器效率最高，故根據前文確定的蓄電池組電壓 144 V，選擇 56 個單體最大電壓為 2. 5 V 的超級電容構成復合電源系統的超級電容部分。
為保證超級電容效率，最小電壓通常取最大電壓的一半，即 1. 25 V。經計算得到超級電容的容量應大于 2 743 F，因此選擇 Maxwell 公司生產的超級電容，基本參數如下: 最大電壓為 2. 5 V，最小 電 壓 為 1. 25 V，電 容 為 3 000 F，電 流 范 圍 為- 225 - 225 A。
2. 3 DC-DC 功率轉換器設計
根據功率守恒原則，即輸出功率等于輸入功率乘以 DC-DC 轉化器效率，設計 DC-DC 功率轉換器。由于功率轉換器的效率是蓄電池組與超級電容端電壓比值和輸入功率的二次函數，因此利用二次插值形式建立 DC-DC 轉換器模型，如圖 3 所示。
將建立好的蓄電池模型、超級電容模型和 DCDC 功率轉換器模型嵌入 ADVISOR 軟件中，其中復合電源系統內部結構如圖 4 所示。復合電源的控制策略采用邏輯門限濾波控制策略，在文中不做詳述。
3 整車模糊控制策略設計
將模糊控制策略應用于混合動力汽車，通過對發動機實際輸出轉矩進行調節，在滿足蓄電池充放電平衡的前提下，使發動機盡可能工作在高效區，輸出轉矩接近發動機最佳轉矩，以提升發動機工作效率。模糊控制策略采用雙輸入單輸出形式，以發動機目標轉矩與當前需求轉矩之差和蓄電池 SOC 為輸入，以發動機實際輸出轉矩為輸出。
為使發動機實際工作點靠近發動機高效區，發動機的目標轉矩應根據發動機的萬有特性曲線來決定。在萬有特性曲線上，按照不同轉速，選擇最小比油耗點，以此作為發動機最優轉矩曲線。在控制策略中，根據當前發動機的需求轉速，參照制定的最優轉矩曲線，確定發動機工作于高效區對應的目標轉矩。該混合動力汽車萬有特性曲線如圖5 所示。
由萬有特性曲線可知，發動機最大轉矩值為 350 N·m，與理想最小轉矩的差值為 350 N·m，考慮臨界值，將模糊控制策略的轉矩差 ΔT 的模糊論域確定為[- 360 360]N·m。在模糊控制器中將輸入量轉矩差 ΔT 的模糊語言變量值分為 7 檔，分別為“正大”、“正中”、“正小”、“零”、“負小”、“負中”、“負大”，分別用字母 PB、PM、PS、 ZO、NS、NM、NB 表示。選擇梯形隸屬度函數，計算語言變量中語言值的隸屬度程度，完成對精確量的模糊化。模糊控制器的另一個輸入為蓄電池 SOC 值，SOC 值的取值范圍為[0，1]。將 SOC 的模糊語言變量值分為 5 檔，分 別 為“正 大”、 “正小”、“零”、“負小”、“負大”，分別用字母 PB、 PS、ZO、NS、NB 表示。同樣選擇梯形隸屬度函數完成模糊化。
模糊控制器的輸出為發動機輸出轉矩因子 K。輸出轉矩因子 K 是發動機輸出最大轉矩與最佳轉矩的比值，根據萬有特性曲線，輸出轉矩因子的取值范圍為[0，1. 4]。模糊控制器采用 Sugeno 的類型，將去模糊化結合到模糊推理中，得到最后的輸出量為精確量。因此 K 取值定為[0 0. 2 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 75 0. 8 0. 85 0. 9 0. 95 1 1. 05 1. 1 1. 15 1. 2 1. 25 1. 3 1. 35 1. 4]，分別用 K1、K2，…，K21 表示。
按照上文確定的輸入輸出量，建立模糊規則如表 4 所示。將設計完成的模糊控制模型嵌入 ADVISOR 軟件中，在圖 4 的基礎上替換原有的電機輔助控制，建立混合動力客車頂層模型如圖 6 所示。
4 仿真驗證
為了驗證本文所建立的復合電源系統和整車模糊控制策略適用于后軸驅動混合動力客車的有效性，在 ADVISOR 仿真環境下進行建模和仿真分析，選擇圖 2 所示的中國典型工況為測試工況，同時與 ADVISOR 原有的整車轉矩控制策略進行對比研究。
首先，在原有的電機輔助控制策略基礎上，驗證復合電源的有效性。整車的實際運行車速如圖 7 所示，圖中兩條曲線分別表示循環工況的要求車速和實際車速。從圖中可以看出，實際車速很好地跟隨了工況的要求車速，說明設計的復合電源系統應用于該混合動力客車，可以滿足循環工況要求。
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單一電源下電機的需求功率全部由蓄電池提供，其功率曲線如圖 8 所示。由圖可知，蓄電池提供的最大功率達到 23 kW。蓄電池工作電流如圖 9 所示，圖中蓄電池須承受較大的放電和充電電流，最大放電電流接近 250 A，最大充電電流接近 90 A，并且充放電電流波動明顯，不利于蓄電池的使用壽命。
復合電源下電機的需求功率由復合電源系統提供，其中蓄電池提供平均功率，而峰值功率由超級電容提供，其功率對比曲線如圖 10 所示。由圖可知，蓄電池提供的最大功率僅為 10 kW，與單一電源需提供 23 kW 功率相比，降低 50% 以上。超級電容提供了電機需求功率的瞬態部分，充分發揮其快充快放的特性。復合電源下蓄電池和超級電容的工作電流如圖 11 所示，圖中蓄電池在承受放電電流相對于單一電源時明顯減小，最大放電電流僅為 70 A，并且放電電流波動較小，有利于提高蓄電池的壽命。在圖 11 中負電流表示充電電流，從圖中可以看出蓄電池充電電流很少，超級電容的充電電流相對較多，即幾乎全部的充電電流由超級電容回收，因此導致蓄電池 SOC 值略有下降，但 SOC 曲線整體變平穩，說明蓄電池較好地保持了充放電的平衡。單一電源和復合電源中蓄電池 SOC 對比如圖 12 所示。
其次，在驗證了復合電源系統有效性的基礎上，繼續驗證本文設計的整車模糊轉矩控制策略的有效性。此模糊控制策略旨在滿足整車性能的同時，能提高發動機工作效率，從而降低排放，提高經濟性。圖 13 中的兩個圖分別為 ADVISOR 原有電機輔助控制策略下和模糊控制策略下發動機實際工作效率點圖，能夠明顯看出，在原有策略下，發動機效率最高雖達到近 0. 4，但是工作點分散，整體效率不高。在模糊控制策略下，發動機的工作點更為密集，效率集中在 0. 3 - 0. 4 之間的工作點更多，說明發動機整體效率有所提升。圖 14 中的兩個圖分別為 ADVISOR 原有電機輔助控制策略下和模糊控制策略下發動機實際工作點圖。兩圖對比也可明顯看出發動機工作點更靠近高效區。
將模糊控制策略下的復合電源中蓄電池 SOC 曲線加入圖 12 中，得到單一電源、復合電源和模糊控制策略下復合電源的蓄電池 SOC 曲線對比圖，如圖 15 所示。由于在模糊控制策略下，發動機接近高效區，同時發動機實際輸出轉矩有所提高，因此對電機的需求有所降低，并且在蓄電池 SOC 較低時，以滿足整車動力性能之外的發動機轉矩，用來為蓄電池充電，即有更多的充電電流為蓄電池充電，因此有利于保證蓄電池 SOC 平穩。圖中通過模糊控制下蓄電池 SOC 曲線可以明顯看出，與電機輔助策略下蓄電池 SOC 曲線相比，模糊控制下蓄電池 SOC 曲線變化平穩，且終止時刻 SOC 值較高，蓄電池在整個循環工況中消耗較小，有利于蓄電池保持更高的后備能量。
5 結語
本文在原有普通燃油客車的基礎上，在滿足車輛性能的前提下，首先完成了儲能裝置和電機的匹配設計，其次開發了蓄電池 - 超級電容的復合電源系統，最后提出了應用于復合電源混合動力客車的模糊轉矩分配策略，將建立的整車模型、復合電源模型、能量管理策略嵌入 ADVISOR 軟件中，進行整車性能仿真，結果表明:
( 1) 配備有合適參數的電機和蓄電池的混合動力客車，能夠滿足原有客車對行駛性能的要求，證明設計的混合動力客車具有實際使用價值。
( 2) 建立的蓄電池 - 超級電容復合電源系統，能夠發揮超級電容“削峰填谷”的優勢，DC-DC 功率轉換器能夠實現功率分流，避免了蓄電池頻繁大電流充放電，延長了蓄電池使用壽命。
( 3) 提出的基于發動機效率的模糊轉矩分配策略，能夠使發動機工作于高效區，提高了發動機工作效率，同時有利于蓄電池充放電平衡，在保證整車性能不變的前提下，降低了排放，延長了蓄電池壽命。——論文作者：牛曉燕、馮國勝
參考文獻
[1] 馬國良. 關于新能源汽車技術發展策略研究[J]. 時代汽車，2018( 8) : 52-53.
[2] 鄧濤，韓海碩，羅俊林. 基于動態規劃算法的混合動力汽車改進型 ECMS 能量管理控制研究[J]. 中國機械工程，2018，29 ( 3) : 326-332.
[3] 丁玲. 電動汽車用動力電池發展綜述[J]. 電源技術， 2015，39( 7) : 1567-1569.
[4] 張琳，曾小華，郭孔輝，等. 功率分流式混合動力汽車復合電源系統設計[J]. 北京理工大學學報，2017，37( 5) : 478-484.
[5] 王琪，孫玉坤，羅印升. 混合動力電動汽車的復合電源功率分配控制策略[J]. 電工技術學報，2017，32( 18) : 143-151.
[6] 王慶年，曲曉冬，于遠彬，等. 復合電源式混合動力公交車功率分配策略研究[J]. 汽車工程，2014，36( 4) : 389-393，425.
[7] 高建平，葛堅，趙金寶. 復合電源系統功率分配策略研究[J]. 西安交通大學學報，2015，49( 7) : 17-24.
[8] VU T V，CHEN C K. A Fuzzy-based Supervisory Controller Development for a Series Hydraulic Hybrid Vehicle[C]. AETA 2017- Recent Advances in Electrical Engineering and Related Sciences: Theory and Application，2017: 850-859.
[9] 鄧國紅，周挺，楊鄂川，等. ISG 混合動力電動汽車的轉矩控制策略[J]. 重慶理工大學學報( 自然科學版) ，2014，28( 11) : 18-23.
[10] 付主木，周朋歌. 并聯式混合動力汽車模糊控制策略及優化研究[J]. 測控技術，2014，33( 12) : 72-76.
[11] 魯子卉. 混合動力電驅動系統的模糊控制策略研究[J].電子技術應用，2014，40( 3) : 140-142.
[12] 李峰. 混合動力履帶車輛能量分配控制策略研究[J].計算機仿真，2013，30( 5) : 152-157.
[13] 吳海嘯，張涌，葉進. 混合動力汽車的控制策略優化研究[J]. 輕型汽車技術，2014( 3) : 7-12.
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