英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
电动汽车复合电源仿真分析
徐瑞阳1,王云亮2
(1.天津工业大学 电机工程学院，中国天津；
2.天津理工大学 天津复杂系统控制理论与应用重点实验室,中国天津)
摘要：大功率超级电容器和常规电池相结合使用的复合电源，将大大改善纯电动汽车的性能，例如单个电池的低功率密度和较短的循环时间等优良特点。在DC/DC转换器中使用并行交错技术后，复合电源拓扑也得到更改，其中将大大提高复合电源的整体性能。同时采用模糊控制策略对储能系统中的能量进行管理，并在MATLAB/Simulink环境下建立了电动汽车复合动力系统的仿真模型。仿真结果表明，使用超级电容器与电池相结合的复合电源系统，可以结合电池和超级电容器两种能量储存装置的优点，从而提高电气输出功率，超级电容器在模拟过程中还起到了“切峰填充谷”的作用，使电池得到更加有效的保护。因此，它不仅提高了电动汽车的动力性能和能源效率，并且具有更好的经济适用性。
关键词：电动汽车；复合电源；平行交错；模糊控制。
0引言
随着经济的快速发展以及科学技术的不断进步。在日常生活中，车辆已经成为一种在交通运输过程中不可或缺的一部分[1]，然而汽车工业的发展又引起了一系列的石油资源消耗急剧增加和对环境的负面影响等问题。在这个背景之下，交通运输方面的清洁无污染的零排放纯电动汽车，成为未来发展的主要手段之一。因此，政府和学者们在纯电动汽车行业也投入了更多的关注[2]。
低功耗的零排放纯电动汽车是汽车工业发展的新宠儿[3]，是众多企业及学者的主要研究对象，纯电动汽车行业的发展也在某些程度上代表着汽车行业的发展纯电动汽车技术的进步更具有重大的意义。但是，目前纯电动汽车的动力装置所存在的缺点已经成为了制约电动汽车发展的关键因素。今天，市场上绝大多数纯电动汽车都是基于单一电池能源来驱动车辆的。实际上，它证明了低功率密度和短循环寿命仍然是电化学电池的缺点。但是复合电源存储系统的出现对纯电动汽车的发展具有重大的影响。蓄电池具有高能量的优点，超级电容器具有大功率的优势[4]，电池与超级电容器的结合，使得它们可以互相补充对方的缺点并且结合对方的优点。电池提供电动汽车的平均功率，超级电容器起到了“削峰填谷”的作用。因此，它大大减少了电池的大电流放电和增加了电动汽车的行驶里程。这种复合能量供应方式还可以延长电池的使用寿命，并提高电动汽车的效率[5]，是解决阻难当前汽车行业发展的重要方式。
1复合电源结构的设计
1.1复合电源的结构
复合电源系统的结构如图1所示。该结构的特点是使超级电容器具有快速响应DC总线功率波动的能力，当电动汽车加速爬坡时，它可提供较大的瞬时功率，并且可以快速吸收DC总线提供给驾驶员的反馈能量。复合电源系统的结构如下图[6]。
图1 复合电源结构
2.2储能系统容量的计算
根据G型电的实验数据表明，美国的电动汽车消耗的能量e0为0.097kWh/（km），总质量M为3000公斤，行驶距离S为100公里。行驶里程和储能系统的总能量，总质量电动汽车与能源之间的关系为：
----(1)
式（1）为计算出的电动汽车储能系统总能量E为29.1kWh。因为电池和超级电容器的放电电流，自放电现象，驱动规范的差异等都会影响电动汽车的行驶里程，因此总能量设计值应略大于计算值，出于超级电容器和电池能量密度和功率密度的考虑，它的设计功率应为30kWh，并且储能系统应满足功率输出在电池相对比例最大化的前提下，提高整个系统的能量密度[7]。因此，超级电容器与蓄电池的容量分配比例设计为1:29。
1.3超级电容器及电池模型的设计
超级电容器在放电瞬间有一些现象，如电压陡降和陡降。在出现放电电压恢复正常的现象之后，基于超级电容器模型提出了许多物理特性，例如传输线模型和多梯形模型的典型模型。为了简化分析过程，超级电容器模型使用通用的RC模型。模型参数基于具有2.7V标称电压和3000F电容的超级电容器。超级电容器的容量计算公式为
----（2）
式（2）可以计算出超级电容器的储存能量，因此我们可以设计组成96组串联的六组超级电容器模块，其组成为额定电压259.2V，容量191.4F，电阻51.2mΩ的超级电容器组。
根据超级电容器的等效电路模型建立仿真模型。
如图2所示，仿真模型是在Matlab中建立的超级电容器。
图2 Matlab中超级电容器的仿真模型
动力电池是电动汽车的主要能量的来源，其状态和寿命在很大程度上影响电动汽车的性能，直接影响电动汽车的行驶里程和其他技术性能。电动汽车中使用的动力电池主要是铅酸电池，镍镉电池，镍锌电池和锂离子电池[8]。锂离子电池在比能量和功率性能方面具有更大的优势，目前，它是最有前途的电池类型中增长最快的电池类型。我将使用Matlab/simulink设备库随附的锂离子电池模型，根据上述参数将容量计算设置为额定电压201.6V和额定容量144.2Ah。
1.4DC/DC转换器的设计
在复合储能系统中，双向DC/DC转换器是电动汽车能源的关键组成部分[9]。通过对几种经典的双向DC/DC转换器进行比较，我发现半桥DC/DC转换器使用的开关元件的双向电压和电流应力很小[10]。而且我们可以使用并联交错技术，它可以大大减少总的纹波电流转换器的输出，改善了双向转换器性能[11]。
从理论上讲，对于由并联相交构成的双向转换器，总输出电流是并联位移的总和，相应的纹波频率也是每个相的两倍，但是脉动单元的纹波电流是可以抵消的，相互之间在一定程度上可以减小转换器电流的总纹波输出，即使在某些情况下电流纹波也将为0。因此，使用多相交叉并联技术可以大大改善双向转换器的性能[12]。
图3为并联交错式DC/DC双向转换器的结构示意图
图3 并联交错式DC/DC转换器结构示意图
使用两相PWM控制信号，每个开关单元的控制信号相差1/2个周期，并且每个周期的导通时间相等，因此电感的电流也相互叠加，纹波电流减少到原来电流的一半[13]。
图3是并联交错的双向DC/DC转换器，其正向为右侧。当转换器正向运行的时候，升压电路如下开关管St1，St2处于导通状态，并且上部开关管Du1，Du2共同构成升压模式。什么时候逆变器反向操作，降压电路，上开关管Du1，Du2处于ON状态，下面的开关管St1，St2一起构成降压模式。
2基于模糊逻辑的控制策略
2.1电动汽车控制策略设计
1）电动汽车启动时，电动汽车需要更多功率，此时仅由超级电容器提供电机驱动所需的能源。
2）当电动汽车正常运行时，需求的电量低，电池为负载提供能量的同时对超级电容器进行充电，以确保超级电容器始终在最佳状态下工作。
3）当电动车在加速，爬升或高速驾驶的工况下，它需要更高的功率，超级电容器和电池在此刻同时为车辆提供能量，确保汽车在上诉工况下具有足够的动力性。
4）当电动汽车在制动状态下工作时，如果超级电容器的SOC很大，所有能量的反馈被电池和超级电容器共同吸收；如果超级电容器的SOC很小，所有能量的反馈被超级电容器吸收。
2.2模糊控制器设计
模糊控制是一种智能控制方法，基于模糊逻辑理论，模糊语言变量和模糊逻辑推理。其核心部分是模糊控制器。它的关键部分是建立隶属函数并且制定这些模糊规则[14][15]。
我们正在Matlab中使用模糊逻辑工具箱进行设计模糊控制器。
模糊逻辑控制器的结构如图4所示。
图4 模糊逻辑控制器结构图
2.3隶属函数的设计
模糊集由隶属函数描述，其确定过程既具有客观性又具有主观性。在本文中，模糊输入变量控制器是电池的充电状态SOCb、超级电容器的充电状态SOCc和负载电流I0。输出变量D1是电源的占空比Boost模式下的设备St1和St2，输出变量D2是Buck中功率器件Su1和Su2的占空比模式。
2.4隶属函数图
在模糊工具箱中，设计输入和输出的隶属函数。
模糊控制器的这些隶属函数是下面的数字。
图5是SOCb的隶属函数。图6是SOCc的隶属函数。图7是Io的隶属函数。图8是D1的隶属函数。图9是D2的隶属函数。
图5 SOCb的隶属函数图
图6 SOC的隶属函数图
图7 I0的隶属函数图
图8 D1的隶属函数图
图9 D2的隶属度函数图
2.5模糊规则的制订
在模糊系统中，模糊规则是模糊推理的前提和基础，也是模糊逻辑控制器的核心内容[16]。在输入和输出变量的模糊语言设置中，L，M，H和VH用于表示SOCc的低，中，高和高模糊语言变量，而L和H分别是SOCb的低和高。NH，NM，NL，Z，PL，PM，PH分别为负，负，负，零，小，正，正，分别以Z，VL，L，M，H，VL表示D1和D2的零，非常低，低，中，高和非常高的六个模糊语言变量。
2.6模糊规则表
根据模糊规则表，在模糊逻辑工具箱中设计控制器的模糊规则。模糊规则是模糊控制器的一个重要部分[17]。
在下面，我们根据隶属函数和人工经验编写了模糊规则表。
当复合电源的电池SOCb为高，模糊规则见下表1。
表1
模糊规则表（1）
当复合电源的电池SOCb较低时，模糊规则见下表2。
表2
模糊规则表（2）
3仿真结果分析
电动汽车行驶正常，电机工作在电动状态，负载电流为正。本仿真设定电池初始荷电状态为92%，超级电容初始荷电状态为92%。本文的研究重点是复合储能系统的能量控制。为简化设计，负载电流可由受控电流源模拟。负载电流、超级电容和负载电流的变化如下图所示，电池和超级电容对应的SOC，如下图所示，Ic为超级电容放电电流，随着负载电流Io的变化，可以快速响应负载的需求;电池放电电流基本保持在平均放电电流，放电曲线平滑，可以延长电池的使用寿命。
图10 复合蓄电系统的仿真
4.1电动车正常运转时，下图为电流和SOC随时间的变化曲线。
图11 电流随时间的变化曲线（1）
图12 SOC随时间的变化曲线（1）
紫色线表示的是负载电流，蓝色线表示的是电池电流，红色线表示为图11中的超级电容器的电流。紫色线表示的是超级电容器的SOC，蓝色线表示在图11中的电池的SOC。图11和图12显示在0~1s，负载电流Io为零，电池和超级电容器未放电，SOC值保持不变。当电动汽车在1~1.3s内启动时，超级电容器提供能量。在1.3~4.5s和8.9~9.8s中，负载电流低，电池由负载供电，SOCb减小。在4.5~9.2s，负载Io的电流变大，超级电容器和电池共同为负载提供能量，SOCb变低，SOCc变低，可以清楚地看到超级电容器的电流比电池电流高，超级电容器起到了“削峰谷”的作用。在9.8~10s内，负载电流Io非常低，双向DC/DC转换器无法启动，超级电容器为负载提供能量，SOCb不变，SOCc减小。
3.2电动汽车处于制动状态时，下图为电流随时间的变化曲线
图13 电流随时间变化曲线（2）
图14 SOC随时间的变化曲线（2）
紫色线表示负载电流，蓝色线表示电池电流，红色线表示图13中的超级电容器的电流。紫色线表示超级电容器的SOC，蓝色线表示在图13中的电池的SOC。图14，图13和图14所示，负载电流io为负，表示负载将能量反馈到储能系统。超级电容器的SOC越来越大。 并且双向双向DC / DC转换器工作时，降压电路启动。电池，超级电容器一起吸收能量的反馈。如图14所示，仿真结果符合电动汽车控制策略和要求。
4总结
本文在Matlab中建立了电动汽车储能系统的复合电源模型。电池通过双向DC/DC转换器与超级电容器并联。使用模糊逻辑控制进行仿真分析。模糊逻辑用于控制并联交错双向双向DC/DC转换器，以控制能量存储系统的电流输出，并优化动力电池放电的控制方法。实验表明，与负载直接相连的超级电容器可以快速对应需求，并可以快速恢复反馈制动能量。并联交错式的双向DC/DC转换器，复合电源可以大大提高整体效率，并进一步提高整体生产率。使用模糊逻辑控制的方法可以优化电池放电过程并延长电池寿命，具有很好的实用性。模糊控制的使用简化了系统控制的设计。但是，它在某些方面也降低了系统控制的准确性。在这一点上，本文设
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238179]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
