基于ADVISOR的雙能量源純電動汽車仿真＊

張昌利 張瑾瑾 楊盼盼

（長安大學信息工程學院1） 西安 710064） （長安大學電子與控制工程學院2） 西安 710064）

純電動汽車因為高效率、低噪聲、零排放等顯著優點，在節能和環保方面具有無可比擬的優勢，其應用和普及是汽車工業可持續發展的必然趨勢［1］.與單一能量源的純電動汽車相比，將高比能量的蓄電池和高比功率的超級電容結合起來形成主輔雙能量源存儲系統，更能滿足純電動汽車行駛中對能量和功率的雙重要求，同時增強車輛的續駛能力和動力性能［2］.目前，國外對雙能量源純電動汽車的研究相對深入，已有車型問世；國內的研究和應用則剛剛起步，仍處于建模、仿真和實驗驗證階段［3－5］.

ADVISOR是由美國國家再生能源實驗室開發的一款最具代表性的電動汽車仿真軟件，使用前向仿真和后向仿真相結合的混合仿真方法，具有車輛總成參數匹配與優化、車輛傳動系統和驅動系統間能量轉化分析、不同循環工況下排放特性和能量消耗對比、車輛能量管理策略評價、整車綜合性能預測和分析等功能［6－7］.但是，由于軟件中車輛的結構形式固定有限，目前ADVISOR仍無法對雙能量源純電動汽車進行仿真.

針對上述情況，本文以蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車作為研究對象，建立了雙能量源存儲系統的功率分配模糊控制策略，在開源ADVISOR 2002軟件之上進行了雙能量源模糊控制建模和關鍵程序二次開發，得到了適合于雙能量源純電動汽車仿真的專用平臺，并結合典型的循環工況對雙能量源純電動汽車的整車動力性能進行了仿真研究，從而為車輛部件選型、參數匹配與優化、樣車研發等提供技術支持.

1 雙能量源存儲系統

純電動汽車采用的蓄電池－超級電容雙能量源存儲系統如圖1所示.蓄電池為車載主能量源，具有比能量高、續航時間長、價格便宜等優點，但循環壽命低、不適合大電流放電，主要用于滿足車輛對比能量和循環壽命的要求.超級電容為輔助能量源，具有比功率高、循環壽命長、瞬時放電電流大、充電時間短等特點［8］，主要用于在車輛加速或爬坡時提供短時的大功率輸出.蓄電池和超級電容組成并聯結構，通過DC／DC變換器對超級電容的端電壓進行調節，并按照一定的控制策略實現功率分配.

圖1 蓄電池－超級電容雙能量源存儲系統

蓄電池－超級電容雙能量源存儲系統的工作過程為：當汽車起步時，超級電容優先大電流放電，啟動汽車；當汽車正常行駛時，蓄電池和超級電容按照一定的分配比例同時對外輸出功率；當汽車加速或爬坡時，蓄電池和超級電容同時輸出大電流以滿足電機的高功率需求；當汽車制動時，電機工作于再生制動狀態，按照超級電容優先的原則利用制動回收能量同時給兩種能量源充電.

2 雙能量源存儲系統模糊控制策略

根據上節分析，設計蓄電池－超級電容雙能量源存儲系統的功率分配模糊控制策略［9］如圖2所示，主要由2個模塊組成.模糊控制器模塊包含電機需求功率（再生制動狀態下取負值）、蓄電池荷電狀態SOC、超級電容荷電狀態SOC 3個輸入值，根據一定的模糊控制規則輸出需求功率的分配比例，本文取蓄電池分配額占總需求功率的比例作為輸出值.需求功率分配模塊根據功率分配比例，將總的需求功率在蓄電池和超級電容之間進行分配.

圖2 雙能量源存儲系統的模糊控制策略結構

按照高斯型隸屬度函數的定義，取模糊控制器模塊各輸入變量的模糊集合為E（Preq）＝｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝，E（BSOC）＝｛LE，ME，GE｝和E（CSOC）＝｛LE，ME，GE｝，取輸出變量的模糊集合為E（Kbat）＝｛LE，ML，ME，MB，GE｝.其中，Prq、BSOC、CSOC、Kbat分別為需求功率、蓄電池SOC、超級電容SOC及輸出的蓄電池功率分配比例，各模糊值含義為NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）、LE（較小）、ML（中小）、ME（中）、MB（中大）、GE（較大）.則可制定出表1所示的模糊規則集.

表1 雙能量源存儲系統的功率分配模糊規則

3 基于ADVISOR的雙能量源模糊控制建模與仿真軟件二次開發

本節在開源ADVISOR 2002軟件之上，通過雙能量源模糊控制建模與關鍵程序二次開發，實現適用于雙能量源純電動汽車（記為EV＿DESS）的整車動力性能仿真軟件平臺.

3.1 雙能量源存儲系統的模糊控制策略建模

在ADVISOR支持的單能量源純電動汽車模型EV的基礎上，設計蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車的頂層結構模型如圖3所示，模型文件命名為EV＿DESS.mdl存放于models子文件夾中.

相比于EV，EV＿DESS新加了超級電容模塊＜ess2＞，DC／DC變換器模塊＜dcdc＞和控制策略模塊＜ctr＞.其中，＜ess2＞來自ADVISOR模塊庫，其路徑為lib＿energy＿storage／ESSChoices／Ultra－capacitor；＜dcdc＞和＜ctr＞為自定義模塊，前者用于調整超級電容的端電壓，后者用于對＜ess＞、＜ess2＞的功率分配進行控制.根據表1，設計＜ctr＞模塊的Simulink模型如圖4所示.

圖3 蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車EV＿DESS的頂層結構模型

圖4 雙能量源存儲系統模糊控制策略的Simulink模型

3.2 ADVISOR關鍵程序二次開發

為了使EV＿DESS車型能夠在ADVISOR平臺上正確加載、配置和仿真，還需對該軟件的部分關鍵程序進行如下的深度二次開發.

首先，在saved＿vehicles子文件夾中新建EV＿DESS＿defaults＿in.m文件，對EV＿DESS的車輛總成參數進行配置.文件的主體部分仿照EV車型，并增加了超級電容的配置信息，主要代碼為：

其次，以EV車型為藍本繪制EV＿DESS的車型圖，區分蓄電池和超級電容兩種能量源.將車型圖文件命名為electric＿dess.jpg，存放于gui子文件夾中.

再次，在MATLAB命令行環境應用gui子文件夾中定義的optionlist函數，對車輛數據進行增刪、讀取和修改等操作，具體命令包括：

進而，對與主界面相關的多個m文件進行修改，以正確加載EV＿DESS車型.比如，在文件InputFigControl.m中“case drivetrain”語句下面增加：

表明EV＿DESS車型中沒有這些部件總成，主界面中的對應控件將顯示為不可用.在文件gui＿image.m中“switch drivetrain”語句下面增加：

設定車型圖片中各零部件的具體位置，用于響應主界面上用戶的鼠標點擊事件.在文件block＿diagram＿name.m中“switch drivetrain”語句下面增加：

使EV＿DESS車型與頂層結構模型關聯起來.

最后，要實現對EV＿DESS車型的正確仿真，還需對其它大量的m文件進行修改，涵蓋了ADVISOR軟件的大部分主干內容.但是，與前述改動不同，這些改動相對簡單，基本上具有類似的模式.

4 仿真分析

為了分析和驗證蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車的特點，選用美國丹弗客車工況CYC＿BUSRTE、中心商業區工況CYC＿CBD14進行仿真分析.其中，汽車整車及電機、蓄電池和超級電容的部分參數見表2.

表2 蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車參數

表3從經濟性和動力性2個方面列舉了蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車的ADVISOR仿真結果，可見CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環工況下的百公里電能消耗互不相同.其主要原因是CYC＿BUSRTE工況中制動頻繁，超級電容在制動過程中發揮了更好的能量回收作用，使能量利用率得到提高，汽車的續駛里程也相應增加.

此外，CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環工況下蓄電池和超級電容的SOC及電流變化情況如圖5所示.可見，采用本文的雙能量源存儲系統的功率分配模糊控制策略，可以充分發揮超級電容的“削峰填谷”作用，避免了蓄電池的大電流充放電，使蓄電池的功率輸出盡可能保持恒定和平滑，從而提高雙能量源存儲系統的循環壽命；可以增強制動能量的回收能力，提高蓄電池－超級電容雙能量源系統的充放電效率，從而在提高純電動汽車續駛里程的同時，提高整車的動力性能，達到動力性和經濟性的統一.

表3 兩種循環工況下蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車的ADVISOR仿真結果

圖5 2種循環工況下蓄電池、超級電容的SOC及電流變化情況

5 結束語

針對蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車，建立了雙能量源存儲系統的功率分配模糊控制策略.在電動汽車仿真軟件ADVISOR之上通過雙能量源模糊控制建模和關鍵程序二次開發，獲得了適合蓄電池－超級電容雙能量源純電動汽車仿真的專用軟件平臺，擴充了ADVISOR軟件的車型支持范圍.結合CYC＿BUSRTE，CYC＿CBD14兩種循環工況，對雙能量源純電動汽車進行了整車動力性能仿真.仿真結果表明，采用蓄電池－超級電容雙能量源存儲系統，能夠同時滿足純電動汽車對能量和功率的雙重要求，車輛的經濟性和動力性同時得到了提高.

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