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摘 要：本文针对现有的复合电源电动汽车功率分配的逻辑门限控制策略的不足，为复合电源系统的功率分配设计了一种效果更好的模糊逻辑控制策略，最后对复合电源系统的整车进行联合仿真。仿真结果表明所设计的模糊逻辑控制策略比传统的逻辑门限控制策略更能发挥复合电源的特点，更好地为蓄电池电流削峰填谷，同时保证了整车的动力性。
关键词：复合电源系统;功率分配策略;模糊控制
混合动力汽车具有节能环保的优势，对车载电源有较高的要求，但目前的车载电源还不能较好的满足使用性能需求。近年来利用蓄电池和超级电容各自优点组成的复合电源，具备高比能量的同时有着高比功率，在车载电源上提高能源的利用率。为了充分发挥蓄电池和超级电容各自的特性，必须控制蓄电池和电容之间的功率分配，这样才能有效达到超级电容对蓄电池电流的削峰填谷作用[1]。当前国内外关于复合电源系统的功率分配策略仍不完善，主要有电动辅助控制策略、自适应控制策略等，采用逻辑门限功率分配策，与原单一蓄电池相比，虽然蓄电池的使用寿命和整车动力性有所提高，但逻辑门限控制策略中参数以及控制规则的选取相对比较单一和固定，而复合电源控制中存在许多非线性控制变量，因而逻辑门限控制并不能很好的解决蓄电池和超级电容的功率分配问题，工况的适应性较差，致使整车动力性能改善程度不佳，对蓄电池电流“削峰填谷”的效果不够好。模糊控制在解决这些非线性复杂控制问题时则具有很好的鲁棒性和实时性[[3-4]]。本文将设计一种模糊控制策略，并加入了蓄电池功率调整模块，将电机需求功率和蓄电池、超级电容的SOC状态和蓄电池功率超载系数A进行模糊化处理，设计隶属函数，通过相应的控制规则进而实现蓄电池和超级电容功率的合理分配，最后通过MATLAB/SIMULINK平台建模，并嵌入到ADVISOR软件中进行整车联合仿真分析。
1 复合电源系统简介
复合电源系统结构如图1所示[2]，一共包含有控制策略、超级电容、蓄电池和DC/DC变换器。当中复合电源的大脑部分是控制策略，控制策略判断电池和超级电容实际的荷电量和总的功率要求，控制电池和超级电容分别输出合适的功率来满足电机的需求功率。图中，Preq为电动机需求的总功率，Bpreq和Cpreq分别为控制策略对蓄电池和超级电容的功率分配，Bsoc和Csoc分别为蓄电池和超级电容的荷电状态，Bpout和Cpout分别为蓄电池和超级电容的输出功率。当电机需求功率较低时，蓄电池单独向动力母线放电满足电机的功率要求，或者在超级电容荷电状态较低时并满足电机需求功率的同时给超级电容充电;电机需求功率高时，蓄电池和超级电容同时向动力母线供电，以满足电机功率需求;在制动或下坡时，即再生制动，由超级电容单独吸收再生功率。这样超级电容就可以对蓄电池电流起到削峰填谷的作用[3-4]。
图1 复合电源系统结构
Figure 1 composite power system structure
2 模糊逻辑控制策略设计
使用SIMULINK的模糊逻辑工具设置模糊逻辑控制器[5-6]，模糊推理方法用Mamdani型，使输出变量同样具有模糊语言值形式，因此能充分利用专家规则库里的控制知识。各种运算方法可以根据需要自行选择，本文采用工具箱里的默认属性，模糊控制策略建模如图2所示。
<F：＼新建文件夹夏传凤＼速读·上旬201505＼Image＼image3.png>图2 SIMULINK中的模糊控制模型
Figure 2 SIMULINK fuzzy control model
3 利用ADVISOR搭建控制仿真测试平台
为测试所定制的模糊逻辑控制策略是能实现更优的效果，利用美国再生能源实验室（NREL）开发的汽车仿真软件ADVISOR 进行仿真计算[7-8]。在SIMULINK平台上调出ADVISOR中自带的电动汽车模型EV，然后用上文设计好的复合电源模块替换动汽车模型EV中的电源系统的模块。替换成功后的电动汽车模型EV就成为了一种新的复合电源电动汽车模型，其模型如图3所示。
图3 ADVISOR中的复合电源电动汽车模型
Figure 3 ADVISOR composite power electric car model
如图4所示，虚线为逻辑门限控制下的总输出功率曲线，在工况227-229秒和236-241秒的时候因超级电容能量不足，没法供电，为避免蓄电池大电流放电，故此时复合电源输出功率不高，不能满足电动汽车的动力需求。而实线为本文所设计的改进后的模糊控制下的总输出功率曲线，可以看出此图中的复合电源在相同的时间能输出更大的功率，其相应的总输出功率曲线几乎和电机总需求功率曲线重合，很好的满足了电动汽车的功率需求。
<F：＼新建文件夹夏传凤＼速读·上旬201505＼Image＼image5.jpeg>图4 模糊控制改进前后的总功率输出曲线对比
Figure 4fuzzy control before and after the improvement of the total power output curve comparison
4 结语
控制策略是复合电源电动汽车的关键技术之一，本文设计了一种带蓄电池功率调整模块的模糊逻辑控制策略，并且通过建模仿真验证了该控制策略的可行性。通过对传统的逻辑门限控制策略和没改进前的模糊逻辑控制策略进行仿真分析比较，本文所设计的模糊逻辑控制策略的控制效果更好，能更有效的实现超级电容对蓄电池电流的削峰填谷的作用，并保证了整车的动力性。
参考文献：
[1]Zhang Jing.Investigation and Simulation of the Combined Energy Storage System of Ultracapacitor and Battery[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2005.
[2]周远.基于混合动力汽车复合电源及能量回馈研究[D].江苏苏州 ：江苏大学，2010.
[3]张丹红，周艳.混合动力汽车能量管理系统的模糊控制与仿真研究[J].世界电子元器件，2008（5）：69-73.
ZHANG Dan-hong. ZHOU Yan. Fuzzy Control and Simulation Research of hybrid vehicle energy management system[J]. World Electronic Components，2008（5）：69-73
[4]陈志雄、钟绍华.基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真[J].上海汽车，2008（1）：8-11.
CHEN Zhi-xiong. ZHONG Shao-hua. Based on the ADVISOR pure electric vehicle power performance simulation[J]. Shanghai Automotive，2008（1）：8-11
[5]刘博. 混合动力车用复合电源控制策略的研究[D]. 吉林长春 吉林大学，2006.
[6] 刘某兴、阮米庆、王晨. 基于MATLAB电动汽车仿真研究[J]. 轻型汽车技术. 2010（03）
LIU Mo-xing. RUAN Mi-qing. WANG Cheng. Electric vehicle based on MATLAB simulation study[J]. Light Vehicle Technology， 2010（03）：28-32
[7]Jinrui，N Zhifu，W Qinglian，R.Simulation and analysis of performance of a pure electric vehicle with a super capacitor[J] .Vehicle power and propulsion conference.2006（02）：1-6
[8]赵石柱.超级电容电动客车双向功率变换器及其控制的研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2005.
关键词：复合电源系统;功率分配策略;模糊控制
混合动力汽车具有节能环保的优势，对车载电源有较高的要求，但目前的车载电源还不能较好的满足使用性能需求。近年来利用蓄电池和超级电容各自优点组成的复合电源，具备高比能量的同时有着高比功率，在车载电源上提高能源的利用率。为了充分发挥蓄电池和超级电容各自的特性，必须控制蓄电池和电容之间的功率分配，这样才能有效达到超级电容对蓄电池电流的削峰填谷作用[1]。当前国内外关于复合电源系统的功率分配策略仍不完善，主要有电动辅助控制策略、自适应控制策略等，采用逻辑门限功率分配策，与原单一蓄电池相比，虽然蓄电池的使用寿命和整车动力性有所提高，但逻辑门限控制策略中参数以及控制规则的选取相对比较单一和固定，而复合电源控制中存在许多非线性控制变量，因而逻辑门限控制并不能很好的解决蓄电池和超级电容的功率分配问题，工况的适应性较差，致使整车动力性能改善程度不佳，对蓄电池电流“削峰填谷”的效果不够好。模糊控制在解决这些非线性复杂控制问题时则具有很好的鲁棒性和实时性[[3-4]]。本文将设计一种模糊控制策略，并加入了蓄电池功率调整模块，将电机需求功率和蓄电池、超级电容的SOC状态和蓄电池功率超载系数A进行模糊化处理，设计隶属函数，通过相应的控制规则进而实现蓄电池和超级电容功率的合理分配，最后通过MATLAB/SIMULINK平台建模，并嵌入到ADVISOR软件中进行整车联合仿真分析。
1 复合电源系统简介
复合电源系统结构如图1所示[2]，一共包含有控制策略、超级电容、蓄电池和DC/DC变换器。当中复合电源的大脑部分是控制策略，控制策略判断电池和超级电容实际的荷电量和总的功率要求，控制电池和超级电容分别输出合适的功率来满足电机的需求功率。图中，Preq为电动机需求的总功率，Bpreq和Cpreq分别为控制策略对蓄电池和超级电容的功率分配，Bsoc和Csoc分别为蓄电池和超级电容的荷电状态，Bpout和Cpout分别为蓄电池和超级电容的输出功率。当电机需求功率较低时，蓄电池单独向动力母线放电满足电机的功率要求，或者在超级电容荷电状态较低时并满足电机需求功率的同时给超级电容充电;电机需求功率高时，蓄电池和超级电容同时向动力母线供电，以满足电机功率需求;在制动或下坡时，即再生制动，由超级电容单独吸收再生功率。这样超级电容就可以对蓄电池电流起到削峰填谷的作用[3-4]。
图1 复合电源系统结构
Figure 1 composite power system structure
2 模糊逻辑控制策略设计
使用SIMULINK的模糊逻辑工具设置模糊逻辑控制器[5-6]，模糊推理方法用Mamdani型，使输出变量同样具有模糊语言值形式，因此能充分利用专家规则库里的控制知识。各种运算方法可以根据需要自行选择，本文采用工具箱里的默认属性，模糊控制策略建模如图2所示。
<F：＼新建文件夹夏传凤＼速读·上旬201505＼Image＼image3.png>图2 SIMULINK中的模糊控制模型
Figure 2 SIMULINK fuzzy control model
3 利用ADVISOR搭建控制仿真测试平台
为测试所定制的模糊逻辑控制策略是能实现更优的效果，利用美国再生能源实验室（NREL）开发的汽车仿真软件ADVISOR 进行仿真计算[7-8]。在SIMULINK平台上调出ADVISOR中自带的电动汽车模型EV，然后用上文设计好的复合电源模块替换动汽车模型EV中的电源系统的模块。替换成功后的电动汽车模型EV就成为了一种新的复合电源电动汽车模型，其模型如图3所示。
图3 ADVISOR中的复合电源电动汽车模型
Figure 3 ADVISOR composite power electric car model
如图4所示，虚线为逻辑门限控制下的总输出功率曲线，在工况227-229秒和236-241秒的时候因超级电容能量不足，没法供电，为避免蓄电池大电流放电，故此时复合电源输出功率不高，不能满足电动汽车的动力需求。而实线为本文所设计的改进后的模糊控制下的总输出功率曲线，可以看出此图中的复合电源在相同的时间能输出更大的功率，其相应的总输出功率曲线几乎和电机总需求功率曲线重合，很好的满足了电动汽车的功率需求。
<F：＼新建文件夹夏传凤＼速读·上旬201505＼Image＼image5.jpeg>图4 模糊控制改进前后的总功率输出曲线对比
Figure 4fuzzy control before and after the improvement of the total power output curve comparison
4 结语
控制策略是复合电源电动汽车的关键技术之一，本文设计了一种带蓄电池功率调整模块的模糊逻辑控制策略，并且通过建模仿真验证了该控制策略的可行性。通过对传统的逻辑门限控制策略和没改进前的模糊逻辑控制策略进行仿真分析比较，本文所设计的模糊逻辑控制策略的控制效果更好，能更有效的实现超级电容对蓄电池电流的削峰填谷的作用，并保证了整车的动力性。
参考文献：
[1]Zhang Jing.Investigation and Simulation of the Combined Energy Storage System of Ultracapacitor and Battery[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2005.
[2]周远.基于混合动力汽车复合电源及能量回馈研究[D].江苏苏州 ：江苏大学，2010.
[3]张丹红，周艳.混合动力汽车能量管理系统的模糊控制与仿真研究[J].世界电子元器件，2008（5）：69-73.
ZHANG Dan-hong. ZHOU Yan. Fuzzy Control and Simulation Research of hybrid vehicle energy management system[J]. World Electronic Components，2008（5）：69-73
[4]陈志雄、钟绍华.基于ADVISOR的纯电动汽车动力性能仿真[J].上海汽车，2008（1）：8-11.
CHEN Zhi-xiong. ZHONG Shao-hua. Based on the ADVISOR pure electric vehicle power performance simulation[J]. Shanghai Automotive，2008（1）：8-11
[5]刘博. 混合动力车用复合电源控制策略的研究[D]. 吉林长春 吉林大学，2006.
[6] 刘某兴、阮米庆、王晨. 基于MATLAB电动汽车仿真研究[J]. 轻型汽车技术. 2010（03）
LIU Mo-xing. RUAN Mi-qing. WANG Cheng. Electric vehicle based on MATLAB simulation study[J]. Light Vehicle Technology， 2010（03）：28-32
[7]Jinrui，N Zhifu，W Qinglian，R.Simulation and analysis of performance of a pure electric vehicle with a super capacitor[J] .Vehicle power and propulsion conference.2006（02）：1-6
[8]赵石柱.超级电容电动客车双向功率变换器及其控制的研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2005.