純電動汽車并聯式雙電池能量分配雙模糊控制策略

譚光興，陳 贊，林 聰，閆 夏

（廣西科技大學 電氣與信息工程學院，柳州 545006）

0 引言

作為電動汽車車載能源需具有：1）較高的比能量和比功率，以確保汽車有較長的續駛里程和較好的動力性能；2）較長的循環使用壽命以及低廉的成本；3）充電快、效率高以及體積輕等特性；4）較低的自放電率，提高電源有效利用率等[1]。目前鉛酸電池使用較為普遍，純電動汽車的車載能源采用鉛酸電池單能源進行供電，然而純電動汽車若只采用單鉛酸電池來承擔全部功率負荷，則對電池的壽命、汽車的性能以及續駛里程等有著很大的影響，同時可能因電池電量不足而導致汽車無法正常行駛，并且造成能源的浪費。

為解決上述問題，有學者研究了超級電容-蓄電池復合電源，并取得了較好的成果，如張昌利等人研究了蓄電池-超級電容雙能量源的結構和工作模式，并采用模糊控制策略進行了仿真實驗[2]，結果表明蓄電池-超級電容雙能量源提高了車輛經濟性和動力性。由于超級電容充、放電時間都短，因此使用成本要遠大于其使用價值，并且也不能真正有效的改善純電動汽車在動力性能和續駛里程等方面的不足。為此，根據各類電池的優缺點，在滿足車載能源4個條件的前提下，為解決上述存在的問題，對鉛酸電池-鋰電池雙電池進行研究。針對雙電池的能量分配，分析了常用的模糊控制策略，并提出了改進的控制方案—雙模糊控制策略，基于ADVISOR進行了仿真實驗對比，結果表明：純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池以及能量分配雙模糊控制策略能更有效的提高純電動汽車動力性能和能量利用效率，有效的延長車輛的續駛里程，同時也可避免因電池電量不足或突然掉電而導致汽車無法正常行駛的情況發生。

1 并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池工作原理

根據動力電池的優缺點，文中采用鉛酸電池-鋰電池雙電池作為純電動汽車的動力源，鉛酸電池和鋰電池為并聯形式組合，因此不僅使用和拆卸都很方便，而且也不需要改變整車內部的硬件電路，只需在外搭一個雙電池控制電路，如圖1所示，通過整車控制器中能源管理系統EMS控制開關管來控制鉛酸電池和鋰電池的工作分配，最終實現對整車能量的控制，其控制情況如下：

圖1 并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池控制電路

1）當控制開關管VT1導通時，鉛酸電池給電機供電，其電路回路為：；再控制VT1關斷，電機通過二極管D2續流。

2）當控制開關管VT1和VT4導通時，鉛酸電池和鋰電池同時給電機供電，其電路回路為：

再控制VT1關斷，電機通過二極管D2續流。

3）當控制開關管VT2導通時，電機通過二極管D2給電機的電感儲能；再控制VT2關斷，給鉛酸電池充電，其電路回路為：；當鉛酸電池充滿電后，控制開關管VT3導通，停止給鉛酸電池充電，開始給鋰電池充電，其電路回路為。

根據控制情況以及純電動汽車行駛工況，車用并聯式雙電池共有如下三種工作模式[3]：

1）勻速或者低速行駛時，電機需求功率很低，可以只由鉛酸電池單獨供電；若鉛酸電池的電量不足以維持純電動汽車勻低速行駛時，則鋰電池提供部分能量，以滿足行駛要求。

2）啟動、加速或者爬坡時，電機需求功率較大，則由鋰電池和鉛酸電池共同供電。

3）再生制動或者下坡時，電機處于發電狀態，產生制動能量，此能量優先由鉛酸電池來回收；若鉛酸電池已充滿，則多余的能量再由鋰電池回收。

2 并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池控制策略

能量分配控制策略決定了鉛酸電池和鋰電池這兩個電源如何聯合工作以及兩個電源的供電效果和效率。由于模糊算法在測量不精確和部件特征動態變化時具有較強的魯棒性，可借助實驗經驗來表達控制中難以精確定量表達的規則[4]，因此文中采用模糊算法來分配鉛酸電池和鋰電池雙電池的電量。

許多文獻中均采用了如圖2所示的模糊控制策略，根據整車控制信號判斷能源SOC，根據循環工況得到總需求功率，通過模糊控制器得出分配系數，從而實現功率的分配[2,5,6]。

圖2 能量分配模糊控制策略框圖

循環工況中，當汽車正常行駛轉為制動時，總需求功率Preq>0變為Preq<0，此時的控制規則不好制定，當汽車制動轉為啟動行駛時的情況也一樣；同時，當總需求功率Preq為0或者接近于0時，分配系數為無窮大，這不符合邏輯以及實際情況。此方案中均未曾考慮，對各能源的輸入和輸出功率進行分配時不夠全面，影響各能源的工作，從而影響汽車的性能和能量使用情況。

2.1 雙模糊控制策略

針對上述所存在的問題，對該控制策略進行改進，改進的雙模糊控制策略如圖3所示，將總需求功率Preq分為三種情況：總需求功率Preq>0時為汽車行駛情況，通過模糊控制器1進行分配；總需求功率Preq<0時為汽車制動情況，通過模糊控制器2進行分配；總需求功率Preq=0時為過程轉換情況，此時由鉛酸電池提供全部的能量。

圖3 改進的雙模糊控制策略圖

2.2 模糊控制器的設計

2.2.1 輸入輸出變量

文中設計的模糊控制器均采用總需求功率Preq、鋰電池Li_SOC和鉛酸電池Pb_SOC作為輸入變量，分配系數K作為輸出變量。

圖4 輸入輸出變量隸屬度函數

當總需求功率Preq>0時，相應的模糊控制器的輸入輸出變量的隸屬度函數如圖4所示，總需求功率的論域為[0 1]，其模糊子集為{L、ME、H}；在工作過程中，為了避免電池深度放電而損害電池的使用壽命，鋰電池和鉛酸電池的論域設為[0.2 1]，其模糊子集均為為{L、ME、G}；分配系數的論域為[0 1]，其模糊子集為{L、ML、ME、MB、G}。

當總需求功率Preq<0時，利用絕對值操作轉換為總需求功率Preq>0，因此相應的模糊控制器的輸入輸出變量的隸屬度函數設計情況相同。

2.2.2 模糊推理

當總需求功率Preq>0時，純電動汽車正常行駛，電機處于電動模式，根據實際經驗和大量的仿真實驗，總結出表1的27條模糊規則。

表1 總需求功率Preq＞0下模糊規則

當總需求功率Preq<0時，純電動汽車制動，電機處于發電模式，優先鉛酸電池回收能量，根據實際經驗和大量的仿真實驗，總結出表2的27條模糊規則。

表2 總需求功率Preq＜0下模糊規則

2.2.3 解模糊化

考慮到純電動汽車的性能，在模糊控制器給出的幾種解模糊化法中選用面積重心法（centroid），由于權值為模糊推理中各元素的隸屬度，故也是加權平均法。

3 仿真與結果分析

3.1 參數設置

為了驗證本文提出的并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池車載能源以及改進的能量分配雙模糊控制策略的有效性和優越性，對ADVISOR純電動汽車仿真平臺進行二次開發，并把能量分配雙模糊控制策略仿真模型嵌入其整車仿真模型中，如圖5所示。

3.2 仿真結果與分析

在循環工況CYC_UDDS下，純電動汽車采用不同車載能源以及相應的能量分配控制策略的仿真對比情況如下。

1）動力性能對比

（1） 爬坡度測試

以88.5km/h初始車速行駛，純電動汽車采用鉛酸電池單一能源可達到的最大爬坡度為9.7%；采用并聯式鉛酸電池-超級電容復合能源的爬坡度為12.5%；采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池，能量分配采用常用的模糊控制策略時爬坡度為10.7%，而采用改進的雙模糊控制策略時爬坡度為14.6%，與前面的幾種情況相比，爬坡能力有明顯的提高。由此可知，由于超級電容充放電時間都短，且能提供短時高功率，因此短時爬坡性能測試中，純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-超級電容復合能源時，爬坡能力比較大，但是相比之下，采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池車載能源以及改進的能量分配雙模糊控制策略時，其爬坡能力要強些，且能長時間的提供純電動汽車所需的爬坡性能。

（2）加速性能測試

加速性測試情況如表3所示，由表可得：①當電源能量不足(如SOC=0.3)時，純電動汽車若采用鉛酸電池單一能源，或者并聯式鉛酸電池-超級電容復合能源時，不能達到預定的車速，同時在規定時間內行駛距離也較短；而采用并聯式鉛酸電池-鋰電池以及改進的能量分配雙模糊控制策略時，不僅能達到預定的車速，且達到預定車速所用時間是最少得，在規定時間內行駛距離也是最長的。②當電源能量充足(如SOC=0.85)時，純電動汽車在這幾種情況下都能達到預定的車速，且用時也短，在規定時間內行駛距離也比較遠，但是相比之下，純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池車載能源以及改進的能量分配雙模糊控制策略，達到預定車速用時是最短的，規定時間行駛距離也是最遠的。由此可知，純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池以及改進的能量分配雙模糊控制策略具有更強的加速能力，尤其是在電池電量相對較低時。

表3 加速性能測試結果

綜合爬坡性能和加速性能測試結果分析可知，采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池車載能源以及改進的能量分配雙模糊控制策略的純電動汽車具有更強、更持久的動力性，也可避免了因某電源電量不足或突然掉電導致純電動汽車動力性能不足或無法正常行駛的情況出現。

2）電池SOC對比

純電動汽車車載能源SOC對比如圖6所示，由圖可得：在CYC_UDDS工況下，純電動汽車采用鉛酸電池單一能源時，鉛酸電池SOC降到0.7688(如圖6線6)；采用并聯式鉛酸電池-超級電池復合能量時，鉛酸電池SOC降到0.81(如圖6線4)，超級電容SOC為0；采用并聯式鉛酸電池-鋰電池時，若能量分配采用常用的模糊控制策略，則鉛酸電池SOC降到0.8364(如圖6線2)，鋰電池SOC降到0.8135(如圖6線3)，若能量分配采用改進的雙模糊控制策略，則鉛酸電池SOC降到0.8406(如圖6線1)，鋰電池SOC降到0.802(如圖6線5)。由此可知，采用并聯式雙電源作為車載能源均能減少電池的消耗，其鉛酸電池SOC提高了約6.8%。

3）能量的使用對比

由表4可知：相比于純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-超級電容復合能源等的能量使用提高效果，純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池以及改進的能量分配雙模糊控制策略，能量使用情況是最好的，其消耗的能量明顯減少，整車總消耗能量減少約2000KJ，對應于傳統燃油汽車的耗油量節省了0.5L/100Km，能量利用效率提高了6.2%。由此可知，純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池以及改進的能量分配雙模糊控制策略能有效的減少整車能量的消耗，提高能量利用效率，從而有效的延長純電動汽車續駛里程。

圖6 電池SOC對比情況

表4 能量使用情況

4 結論

根據車載能源的4個條件，通過分析純電動汽車采用單一能源以及動力電池-超級電池復合能源的優缺點，提出對鉛酸電池-鋰電池雙電池進行研究。針對并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池的能量分配，研究了常用的模糊控制策略，并提出了改進的雙模糊控制策略。在ADVISOR純電動汽車仿真平臺進行二次開發，結合CYC_UDDS工況，與不同車載能源以及這兩種能量分配控制策略進行仿真對比。實驗結果表明：純電動汽車采用并聯式鉛酸電池-鋰電池雙電池車載能源以及改進的雙模糊控制策略可以減少動力電池的損耗，優化能量的使用，提高并保證了純電動汽車的動力性能，有效的延長其續駛里程。

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