純電動汽車電池管理系統控制策略的研究

王宏朋 黃凱 邱煥堯

摘 要：對于純電動汽車，電池管理系統對整車動力性、續航里程等性能起著重要作用。文章通過對門限邏輯控制策略開發過程的分析，找出了其存在的不足，并對其進行優化。進而以某汽車為研究對象建立了整車模型，對優化結果進行仿真分析。

關鍵詞：純電動汽車；電池管理系統；控制策略

中圖分類號：U462.3 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著電動汽車的不斷發展，由于短期內在電池技術方面很難取得重大進展，所以對汽車從業人員來說運用現有技術提高電動汽車動力性經濟性變得很重要。本文通過對門限邏輯控制策略、以及復合電源特性的分析，對門限邏輯控制策略進行優化。并以某汽車為研究對象建立了整車模型，分析優化結果的可靠性。對復合電源控制策略的進一步發展具有重要作用。

2 門限邏輯控制策略的開發

2.1 先求出運行工況下的平均功率

不同的運行工況，驅動電機對復合電源的功率需求也不一樣。平均工況有正負之分，需要分開來求。正平均功率為汽車行駛過程中對電池的需求功率，負平均功率為汽車制動過程產生的功率[1]。

平均功率計算過程：本文主要采用的循環工況為美國UDDS、歐洲NEDC和中國典型城市循環工況作為動力性經濟性的循環工況。三種工況的具體參數在ADVISOR[2]內均存在，參數存儲路徑為：ADVISOR/GUI/optionlists/ all_menus. mat。在Workspace內提取三種工況的具體參數，利用Matlab求和公式求取正負功率需求。表1是UDDS、NEDC、中國典型城市循環工況所統計出的電機對復合電源的正負平均功率需求。根據計算可得到三種工況的平均正負需求功率為：Pave=5.4kw；-Pave=-1.246kw。

2.2 根據本文研究汽車特性時

正負平均功率由蓄電池來提供。如果Preq

2.3 如果Preq>Pave并且超級電容的SOC>0.25時

蓄電池和超級電容共同工作。需求功率超過平均功率的部分需要通過濾波函數F1（s）來濾除，防止過大功率對蓄電池造成沖擊。濾波函數F1（s）如下式所示：

如果Preq>Pave并且超級電容的SOC<0.25時，說明超級電容的電量比較低，超級電容此時不能提供所需功率，此時電機需求功率僅由蓄電池單獨提供。此時同樣需要濾波函數F2（s）來控制蓄電池的放電功率，防止蓄電池過放。

2.4 如果Preq<-Pave并且超級電容的SOC<0.95時

制動產生的能量首先由超級電容來回收至超級電容的SOC值達到設定的最高值時停止，剩余能量由蓄電池回收。

2.5 如果Preq<-Pave并且超級電容的SOC>0.95時

為防止超級電容過充，禁止超級電容回收能量。產生的能量全部由蓄電池單獨回收。此時仍需引入濾波函數F2（s）來控制蓄電池的充電功率，防止蓄電池過充。濾波函數F2（s）如式2所示：

2.6 如果Preq>-Pave時

僅由超級電容進行制動能量回收，蓄電池不參與工作。

3 控制策略優化

3.1 門限邏輯存在的問題

本文研究對象選用超級電容串聯逆變器的復合電源連接方式，并在上文建立了相應的門限邏輯和雙向DC/DC逆變器。根據邏輯門限的控制策略可知：功率總線需求功率被分成兩部分，一部分由蓄電池提供，一部分由超級電容提供。在門限邏輯控制策略的第2.4、2.5、2.6三種情況下，并沒有考慮到蓄電池給超級電容充電的情況。在多個連續工況的仿真結果中也可以看出：超級電容的SOC2值迅速下降后并不能快速回升，造成這種現象的主要原因是制動回收的能量不足以迅速補充超級電容的能量消耗。這會導致超級電容的SOC2值長時間保持在較低范圍內，降低了復合電源的利用率。

由于存在以上分析的問題，造成中國典型城市循環工況下超級電容的SOC2值在3000s之后超級電容的SOC2值一直在較低范圍內變化。其他循環工況下也存在相同的問題。

3.2 新模塊的建立過程

本節根據門限邏輯控制策略存在的問題，設計了蓄電池在一定條件下給超級電容充電的控制策略，借助Matlab/ Simulink平臺建立充電仿真模型，具體設計如下：

蓄電池給超級電容充電之前先檢測四個變量：當前的實際車速是否為勻速、當前車速是否小于20km/h、當前超級電容SOC2值是否低于規定值0.8、當前蓄電池SOC值是否高于規定值0.2。當四個條件同時滿足時，蓄電池可以給超級電容充電。否則，蓄電池不能給超級電容充電。

3.2.1 當勻速車速大于20km/h時蓄電池不向超級電容充電

減少蓄電池大電流放電幾率；當蓄電池SOC<0.2時，蓄電池可提供功率很小，其功率全部用來直接驅動汽車行駛；當超級電容SOC2>0.8時，蓄電池不向超級電容充電，流出足夠余量保證制動時回收的能量優先由超級電容回收。

3.2.2 根據超級電容最大功率的設計

超級電容能提供10s峰值助力，以超級電容每秒提供的能量作為超級電容平均功率，蓄電池為超級電容充電時以此平均功率為超級電容充電。

3.2.3 考慮門限邏輯中對蓄電池的可提供功率的限制

蓄電池并不一定能提供和超級電容平均功率同等大小的功率。此時，為保證蓄電池電流的淺充淺放用蓄電池當前容量0.25C的放電倍率放電，用此時的電池功率與超級電容的平均功率作比較，取兩者值絕對值中的較小者為蓄電池給超級電容的充電功率。

3.2.4 超級電容的充電借鑒制動能量回收的思路

以輸入負功率的形式給超級電容充，同時以輸入同等正功率的形式向蓄電池請求相同功率。

4 前后優化結果對比

4.1 超級電容變化

建立完模塊后再進行動力性經濟性仿真分析，在中國典型城市循環工況下的SOC變化曲線中加入了充電模塊后的超級電容SOC2變化曲線，分析可得，當SOC=0.2時，SOC2迅速下降，蓄電池不再給超級電容充電，驗證了模型的正確性。在不含充電模塊的超級電容SOC2變化曲線中，在4000s以后超級電容的SOC2不能再恢復到高水平，限制了復合電源的作用。其余工況下的變化曲線和中國典型城市工況下變化曲線類似。

4.2 續駛里程變化

由于蓄電池的充電，復合電源可以發揮最大作用，避免了由于超級電容容量下降不能提供峰值功率的缺陷。通過向超級電容充電也降低了蓄電池大電流放電的幾率，使得蓄電池可以淺充淺放，延長了蓄電池的放電時間和續駛里程。表2為三種工況續駛里程優化前后對比表。

由表2得，新型模塊的加入改善了復合電源的性能。由于超級電容可以充分發揮大電流充放電的性能，減少了蓄電池后期大電流放電的幾率，電池電流的淺充淺放延長了電池使用壽命和放電時間，增加了續駛里程，達到了優化的目的。

參考文獻

[1] 樂智，周榮，徐梟. 基于循環工況的純電動汽車動力系統匹配研究[J].北京汽車，2011，（02）：27-29.

[2] 曾小華，ADVISOR 2002電動汽車仿真與再開發應用[M].機械工業出版社，2014.

[3] 董昊龍.純電動車復合電源系統及其管理策略研究[D].北京工業大學，2013.

[4] 肖明，張逸成等.燃料電池汽車用DC/DC變換器的控制策略及仿真[J].低壓電器，2002.

[5] 劉浩，韓晶.MATLAB R2012完全自學一本通.電子工業出版社， 2014.