CN110979030B - 一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，根据电动汽车在行驶过程中运行的速度，引入车速变量来实时修正超级电容荷电状态，使超级电容处于一个合理的电荷值范围内，以根据电动汽车不同的运行工况，选择最优的功率分配。本发明根据超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc和超级电容荷电状态SOC_uc作为输入量的子模糊控制器，可以根据电动汽车的不同行驶工况来实时修正主模糊控制器的蓄电池输出功率初次分配系数，达到了蓄电池与超级电容之间功率的最佳分配效果。

Description

一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车的复合电源系统领域，具体涉及一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业的迅速发展，环境问题和能源问题成为了全球关注的热点。电动汽车的研究与应用日益增多，由高比能量蓄电池和高比功率的超级电容组成的复合电源成为研究的热门之一。其中蓄电池用于提供电动汽车所需要的高能量密度，超级电容器提供电动汽车所需要的高功率密度。目前蓄电池-超级电容复合电源系统并不能保证能够最大程度的满足电动汽车的能量和功率双重需求，两种能量源装置之间的功率分配策略的优化设计是学者们的关键难点问题所在。常见的电动汽车复合电源系统方法有遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等，但是电动汽车的复合能源系统功率分配属于多目标优化问题，这些方法存在精度不高的技术问题。

发明内容

本发明是针对现有的电动汽车复合能源系统控制方法的不足，提出一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法。该方法可以根据电动汽车不同运行工况选择最优的功率分配，降低复合电源系统能量损耗，提升整体效率，延长蓄电池使用寿命。

本发明中的一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，包括蓄电池，超级电容，双向DC/DC变换器，驱动系统，以及能量管理模糊控制器。其中蓄电池直接与模糊控制器相连，超级电容经双向DC/DC变换器与模糊控制器相连。能量管理模糊控制器控制蓄电池和超级电容的充放电功率。具体包括以下步骤：

步骤一：采集汽车内部相关数据

实时获取汽车内部的蓄电池荷电状态和超级电容荷电状态以及电动汽车在运行过程中的速度和负载的需求功率。

步骤二：确定复合模糊控制器的输入及输出

复合模糊控制器中主模糊控制器采用三输入，单输出结构，其中三输入分别是车辆需求功率P_req、蓄电池荷电状态SOC_bat、超级电容荷电状态SOC_uc，输出为蓄电池输出功率初次分配系数α₀。

复合模糊控制器中子模糊控制器采用两输入，单输出结构，其中两输入分别是超级电容荷电状态SOC_uc，超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc，输出为蓄电池输出功率修正系数α₁，其中ΔSOC_uc是超级电容器荷电状态SOC_uc与其目标荷电状态SOC_{uc tag}的差值。最终α₀与α₁之和便是最佳动力电池输出功率系数α_bat,即α_bat＝α₀+α₁。

步骤三：制定参数模糊化的复合模糊控制器

在复合模糊控制器中，将主模糊控制器车辆需求功率P_req，蓄电池荷电荷值SOC_bat，超级电容荷电状态SOC_uc作为输入以及蓄电池输出功率初次分配系数α₀作为输出进行参数模糊化。

在复合模糊控制器中，将子模糊控制器超级电容荷电状态SOC_uc，超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc作为输入以及蓄电池输出功率修正系数α₁作为输出进行参数模糊化。

步骤四：根据电动汽车不同行驶的实际工况，制定模糊逻辑控制策略

电动汽车的行驶工况由车辆需求功率P_req知，可将行驶工况分为驱动工况和制动工况。根据行驶工况来确定模糊逻辑控制策略，进而确定蓄电池和超级电容的充放电功率。

有益效果：在电动汽车的复合能源控制系统中，弥补了单一模糊控制器的不足。根据超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc和超级电容荷电状态SOC_uc作为输入量的子模糊控制器，可以根据电动汽车的不同行驶工况来实时修正主模糊控制器的蓄电池输出功率初次分配系数，达到了蓄电池与超级电容之间功率的最佳分配效果。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2本发明复合模糊控制器控制策略图

具体实施方式

现结合附图对本发明专利详细描述如下：

如附图1所示，本发明提供了一种电动汽车复合电源系统控制方法，具体该方法包括超级电容器、蓄电池、双向DC/DC变换器、能量管理模糊控制器及驱动系统。实施步骤如下：

步骤一：采集汽车内部相关数据

如附图1所示，在电动汽车运行中获取汽车内部的蓄电池荷电状态和超级电容荷电状态以及电动汽车在运行过程中的速度和驱动系统所接负载的需求功率。其中超级电容荷电状态受电动汽车车速动态控制，超级电容的荷电状态与车速满足一定的关系。

根据电动汽车运行的最大车速，超级电容组总能量E_uc，超级电容荷电状态SOC_uc存在下式所示关系：

对于其他行驶车速：

由(1)(2)式，计算可得超级电容理想荷电状态SOC_{uc tag}与车速的关系：

步骤二：确定复合模糊控制器的输入及输出

如附图2所示：复合模糊控制器包括主模糊控制器和子模糊控制器。其中主模糊控制器的输入分别是车辆需求功率、超级电容荷电状态、蓄电池荷电状态，输出是蓄电池初次分配系数。子模糊控制器的输入分别是超级电容荷电状态目标差值，超级电容荷电状态。子模糊控制器的输出为蓄电池输出功率修正系数，复合模糊控制系统的输出为蓄电池的功率分配系数也就是蓄电池初次分配系数和蓄电池输出功率修正系数之和。

步骤三：制定参数模糊化的复合模糊控制器

将主模糊控制器输入输出模糊化。车辆需求功率P_req的实际取值范围归一化处理，即让车辆需求功率除以最大输出功率，得到车辆需求功率P_req的论域为[-1,1]，车辆需求功率的量化因子为1/P_req。车辆需求功率P_req模糊子集可以划分为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。超级电容荷电状态SOC_uc模糊子集可以划分为{正小，正中，正大}，即{PS，PM，PB}。蓄电池荷电荷值SOC_bat的模糊子集可以划分为{正小，正中，正大}，即{PS，PM，PB}。蓄电池初次分配系数α₀模糊子集可以划分为{很小，小，中，大，很大}，即{LE，ML，ME，MB，GE}。

将子模糊控制器输入输出模糊化。超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc与蓄电池输出功率修正系数α₁的模糊论域与实际论域相同，故其模糊化量化因子都是1。二者的模糊子集可划分为{负大，负小，零，正小，正大}，即{NB，NS，ZE，PS，PB}。

步骤四：根据电动汽车不同行驶的实际工况，制定模糊逻辑控制策略

当需求功率为正时，即驱动状态，若P_req正大，且超级电容荷电状态SOC_uc也正大时，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，假如此时超级电容荷电状态SOC_uc正小，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大；若P_req正大，此时蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大，以充分发挥蓄电池的比能量高的特点。

当需求功率为负时，即制动状态，若P_req值负大，且超级电容荷电状态SOC_uc正小时，为了利用超级电容可大电流充放电的优点，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，假如此时超级电容荷电状态SOC_uc正大，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大。若P_req值负小，且超级电容荷电状态SOC_uc正小时，此时蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，否则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大。

当超级电容器荷电状态SOC_uc与其目标荷电状态SOC_{uc tag}有偏离时，则需要进一步对蓄电池输出功率的初次分配系数进行修正。如果超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc大于0，蓄电池输出功率的初次分配系数应该减小，即蓄电池输出功率修正系数α₁的绝对值应该增大；超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc等于0，则维持蓄电池输出功率的初次分配系数不变，修正系数α₁为零；超级电容荷电状态目标差值ΔSOC_uc小于0，蓄电池输出功率的初次分配系数应该增大，即蓄电池输出功率修正系数α₁的绝对值应该减小。

Claims (4)

1.一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：采集汽车内部相关数据

实时获取汽车内部的蓄电池荷电状态和超级电容荷电状态以及电动汽车在运行过程中的速度和负载的需求功率；

步骤二：确定复合模糊控制器的输入和输出及参数模糊化

复合模糊控制器中主模糊控制器采用三输入，单输出结构，其中三输入是车辆需求功率P_req、蓄电池荷电状态SOC_bat、超级电容端电压U_uc，输出为蓄电池输出功率初次分配系数α₀，分别对主模糊控制器输入和输出进行参数模糊化；

复合模糊控制器中子模糊控制器采用两输入，单输出结构，其中两输入是车辆需求功率P_req，超级电容端电压目标差值△U_uc，输出为蓄电池输出功率修正系数α₁，分别对子模糊控制器输入和输出进行参数模糊化；其中△U_uc是超级电容端电压U_uc与其目标端电压U_c的差值；最终α₀与α₁之和便是最佳蓄电池输出功率系数α_bat,即α_bat＝α₀+α₁；

步骤三：根据电动汽车不同行驶的实际工况，制定模糊逻辑控制策略

电动汽车的行驶工况由车辆需求功率P_req确定，将行驶工况分为驱动工况和制动工况；根据行驶工况来确定模糊逻辑控制策略，进而确定蓄电池和超级电容的充放电功率。

2.根据权利要求1所述的一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，其特征在于：步骤一中超级电容荷电状态受电动汽车车速动态控制，超级电容的荷电状态与车速满足一定的关系；具体为：

对于其他行驶车速v：

由(1)(2)式，计算可得超级电容目标荷电状态SOC_{uc tag}与车速的关系：

其中超级电容总能量E_uc，v_max表示最大车速，SOC_ucmax为超级电容的最大荷电量，SOC_ucmin为超级电容的最小荷电量，SOC_uctag为超级电容的目标荷电量。

3.根据权利要求1所述的一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，其特征在于：将主模糊控制器输入输出模糊化，具体为：车辆需求功率P_req的实际取值范围归一化处理，即让车辆需求功率除以最大输出功率，得到车辆需求功率P_req的论域为[-1,1]，车辆需求功率的量化因子为1/P_req；车辆需求功率P_req模糊子集划分为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}；超级电容荷电状态SOC_uc模糊子集划分为{正小，正中，正大}，即{PS，PM，PB}；蓄电池荷电状态SOC_bat的模糊子集划分为{正小，正中，正大}，即{PS，PM，PB}；蓄电池初次分配系数α₀模糊子集划分为{很小，小，中，大，很大}，即{LE，ML，ME，MB，GE}；

将子模糊控制器输入输出模糊化，具体为：超级电容荷电状态目标差值△SOC_uc与蓄电池输出功率修正系数α₁的模糊论域与实际论域相同，故其模糊化量化因子都是1；二者的模糊子集划分为{负大，负小，零，正小，正大}，即{NB，NS，ZE，PS，PB}。

4.根据权利要求3所述的一种复合模糊控制的电动汽车复合电源系统控制方法，其特征在于：所述的根据行驶工况来确定模糊逻辑控制策略，进而确定蓄电池和超级电容的充放电功率，具体为：

当需求功率为正时，即驱动状态，若P_req正大，且超级电容荷电状态SOC_uc也正大时，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，假如此时超级电容荷电状态SOC_uc正小，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大；若P_req正小，此时蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大，以充分发挥蓄电池的比能量高的特点；

当需求功率为负时，即制动状态，若P_req值负大，且超级电容荷电状态SOC_uc正小时，为了利用超级电容可大电流充放电的优点，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，假如此时超级电容荷电状态SOC_uc正大，则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大；若P_req值负小，且超级电容荷电状态SOC_uc正小时，此时蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很小，否则蓄电池输出功率的初次分配系数α₀应该很大；

当超级电容器荷电状态SOC_uc与其目标荷电状态SOC_{uc tag}有偏离时，则需要进一步对蓄电池输出功率的初次分配系数进行修正；如果超级电容荷电状态目标差值△SOC_uc大于0，蓄电池输出功率的初次分配系数应该减小，即蓄电池输出功率修正系数α₁的绝对值应该增大；超级电容荷电状态目标差值△SOC_uc等于0，则维持蓄电池输出功率的初次分配系数不变，修正系数α₁为零；超级电容荷电状态目标差值△SOC_uc小于0，蓄电池输出功率的初次分配系数应该增大，即蓄电池输出功率修正系数α₁的绝对值应该减小。

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