基于模糊控制的電動(dòng)車(chē)雙向DC-DC變換器研究-電測(cè)與儀表

1、基于模糊控制的電動(dòng)車(chē)雙向DC-DC變換器研究崔雪，鄭翔，穆佩紅，高雅潔（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院 上海 200240 ）摘要： 為了延長(zhǎng)車(chē)輛續(xù)航里程，提高蓄電池的使用壽命，使用超級(jí)電容作為輔助的能量源，控制超級(jí)電容的雙向 DC-DC變換器對(duì)直流母線進(jìn)行能量的回饋和補(bǔ)充，提高了電動(dòng)車(chē)電源系統(tǒng)效率。根據(jù)蓄電池和超級(jí) 電容的剩余電量及負(fù)載瞬態(tài)功率需求， 提出了一種模糊控制器改善雙能量電動(dòng)車(chē)DC-DC變換器性能的方法。模糊控制器根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行的不同工況，自動(dòng)地決策出一個(gè)合理的輸出電流，進(jìn)而控制雙向半橋 Buck/Boost 式變換器的電流環(huán)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性、可行性、有效性。關(guān)鍵詞：

2、 模糊控制；超級(jí)電容；雙能量管理；雙向 Buck/Boost 變換器 中圖分類(lèi)號(hào)： TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： AResearch on the Bi-directional DC-DC Converter of the Electric VehicleBased on the Fuzzy ControlCUI Xue, ZHENG Xiang, MU Pei-hong, GAO Ya-jie(College of Electric Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai200240,China)Abstract: In order

3、 to prolong the driving range and the life cycle of the storage battery , ultracapcitor was used in this study as an auxiliary power source, the bi-directional DC-DC converter of the ultracapacitor was controlled to supplement the energy of the DC bus, and thus the efficiency of the electric vehicle

4、 power system was enhanced. Based on the dump energy of the storage battery and ultracapacitor and the need for load transient power, a method was proposed in this paper, in which a fuzzy controller was adopted to improve the performance of the bi-directional DC-DC converter of the electric vehicle.

5、The fuzzy controller could automatically decide on properoutput current according to different working conditions of the vehicle, and thereby control the current loop of the bi-directional half-bridge Buck/Boost converter. Simulation results proved that the control system was very dynamic, feasible

6、and effective.Key words ： fuzzy control, ultracapacitor, dual-energy source system, bi-directional Buck-Boost converter0 引 言 能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)面臨 的兩大挑戰(zhàn)， 開(kāi)展新能源汽車(chē)的研究刻不容緩 1 。在 純電動(dòng)汽車(chē)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，蓄電池承擔(dān)著車(chē)輛的 全部功率負(fù)荷，是唯一的儲(chǔ)能元器件。這種結(jié)構(gòu)對(duì) 電池的冷起動(dòng)時(shí)間、耐起動(dòng)循環(huán)次數(shù)、對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)等都提出了很高的要求 2-3 。為了降低成本、* 上海市教委重點(diǎn)學(xué)科（ J51901）延長(zhǎng)壽命，電池需盡量穩(wěn)定工

7、作于低電流、且啟動(dòng) 或剎車(chē)不太頻繁的條件下，這大大限制了純電動(dòng)汽 車(chē)的加速、爬坡等動(dòng)力性能和能量回收性能。文獻(xiàn)4-6 研究了超級(jí)電容器的特點(diǎn)： 超級(jí)電容具有比功 率高、能量回收速度快等突出特點(diǎn)，能夠存儲(chǔ)大量 電荷，并且充放電迅速，能在電動(dòng)汽車(chē)加速時(shí)提供 足夠高的峰值電流，而在電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)也能夠迅 速回收能量。將超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)使用，可以 有效地彌補(bǔ)蓄電池低比功率、不支持大放電電流等 不足，并能提高電源系統(tǒng)效率、延長(zhǎng)蓄電池的使用 壽命。雙向 DC-DC變換器根據(jù)蓄電池組的剩余電量 ( SOCBT)、超級(jí)電容的剩余電量( SOCUC)、以及直流 母線的電流 (I O)大小運(yùn)用模糊控制， 根據(jù)

8、車(chē)輛的不 同運(yùn)行工況，對(duì)雙向 DC-DC 變換器電流內(nèi)環(huán)的占空 比(d UC)進(jìn)行調(diào)節(jié)。1 拓?fù)湓O(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行原理 雙能量電動(dòng)車(chē)有兩個(gè)能量源分別是蓄電池組和 超級(jí)電容器組。系統(tǒng)由一個(gè)雙向電力電子開(kāi)關(guān)和一 個(gè)雙向半橋式 Buck/Boost 變換器 7 組成。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如圖 1 所示：圖 1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of the system 系統(tǒng)中蓄電池的電壓與直流母線 DC-BUS電壓一 致，為 110V。雙向電子開(kāi)關(guān) S1、S2 的作用是控制蓄 電池組對(duì)直流母線的充放電，超級(jí)電容器組采用 Maxwell 公司的 48V BMOD0083模塊作為

9、輔助能量源。 由于本設(shè)計(jì)中單方向工作時(shí)僅需具有升壓或降壓一 種即可，所以選擇半橋式 BUCK/BOOSTD C-DC變換器 7,8 。半橋式 BDC( bi-directional convertor)在 式雙向 DC-DC變換器和其他非隔離雙向 DC-DC拓?fù)洌?適合于電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用。通過(guò) BDC 控制對(duì)直流母線充 放電。系統(tǒng)根據(jù)控制策略進(jìn)行 PWM的控制。其正向 工作時(shí)， S2開(kāi)關(guān)管工作于 PWM通斷模式， S1 保持截 止，開(kāi)關(guān)管 S2、超級(jí)電容母線電容 C0、電感 L1、二 極管 D1及超級(jí)電容器組組成 Boost 電路； 反向工作 時(shí)， S1開(kāi)關(guān)管工作于 PWM通斷模式， S2保持截止

10、， 開(kāi)關(guān)管 S1、直流母線端濾波電容 C3、二極管 D2、電 感 L1 及超級(jí)電容組成 Buck 電路。2 基于模糊邏輯的控制策略系統(tǒng)的工作過(guò)程是： 當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于起步階段， 由超級(jí)電容進(jìn)行大電流放電，完成加速啟動(dòng)過(guò)程。 當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入正常速度行駛階段，采用優(yōu)先讓蓄 電池單獨(dú)工作的控制策略。當(dāng)汽車(chē)出現(xiàn)緊急加速狀 態(tài)時(shí)，應(yīng)使蓄電池和超級(jí)電容能同時(shí)工作，保證輸 出的大電流能夠滿(mǎn)足電動(dòng)機(jī)高功率運(yùn)行的要求。在 這階段的控制策略中要保證能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)蓄電池和 超級(jí)電容輸出的電流比例、限制兩者電流輸出，達(dá) 到延長(zhǎng)蓄電池和超級(jí)電容使用壽命的目的。當(dāng)電動(dòng) 汽車(chē)處于制動(dòng)階段，進(jìn)行減速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)再生 電流經(jīng) D

11、C-DC功率變換器后，要優(yōu)先向超級(jí)電容充 電，多余部分能量給蓄電池充電。本控制根據(jù)雙能 量源的能量剩余情況以及車(chē)輛的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)雙能 量源到負(fù)載的電流。 控制策略應(yīng)滿(mǎn)足功率平衡方程： PL K Pb K Puc k K (1)PL K 負(fù)載需求的功率；Pb K 蓄電池組的功率；Puc K 超級(jí)電容器組的功率；在行駛的過(guò)程中， Pb(K)和 Puc( K) 的大小根據(jù)電 池組 , 超級(jí)電容自身的容量特性及功率總線需求功 率來(lái)確定?？煽啃?、體積和重量以及轉(zhuǎn)換效率等方面優(yōu)于隔離電池組和超級(jí)電容充電狀態(tài)定義如下：tSOCBT tSOCBT 00vBT tiBT t dtEBT(2)2SOCUC t v

12、2uc t（3）v UCmaxEBT 電池可以存儲(chǔ)的最大容量；SOCBT 電池組的剩余電量；SOCUC 超級(jí)電容的剩余電量； 基于模糊邏輯的雙向 DC-DC變換器控制策略包 括一個(gè)電壓外環(huán)和一個(gè)由模糊控制器組成的電流內(nèi) 環(huán)。如圖 2 所示： I O信號(hào)來(lái)自變換器的電感，檢測(cè) 變換器的輸出電流。電流內(nèi)環(huán)使得充放電電流快速 準(zhǔn)確地跟蹤負(fù)載電流，內(nèi)環(huán)快速響應(yīng)快并且具備限 流能力。模糊控制器根據(jù)SOCBT、 SOCUC 、負(fù)載電流I O大小，依據(jù)模糊控制規(guī)則（見(jiàn)表 1、 2、3）綜合評(píng) 判后對(duì)控制器輸出電流的大小進(jìn)行修正。 V_bus 信號(hào) 來(lái)自變換器的輸出電壓，與電壓外環(huán)指令信號(hào) Vdc 比較， 差

13、值信號(hào)經(jīng) PI 校正后與電流內(nèi)環(huán)比較， 經(jīng)過(guò) PI 校正后送 PWM 控制器，生成互補(bǔ) PWM信 號(hào)，控 制 IGBT 的通斷。圖2 基于模糊的雙向 DC-DC 變換器控制策Fig.2 The bi-directional DC-DC converter control strategy based on fuzzyness由于被控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性 , 選 用模糊控制器對(duì)變換器輸出的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。定義 變量：模糊邏輯控制器包含三個(gè)輸入變量和一個(gè)輸 出變量。 輸入包括電池組的剩余電量 SOCbt 、超級(jí)電 容的剩余電量 SOCUC、直流母線電流 I O。合成推理算 法采用 Mamda

14、ni 推理，三個(gè)前提條件取最小化因子， 結(jié)論部分取最大化因子，解模糊采用重心法（COA）。 輸 入 輸 出 的 論 域 為 SOCbt =LOW GOOD HIGH ； SOCUC=LOW GOOD HIGH； I O=NE PS PB； dUC=NB NS ZE PS PB。輸出電流的成員函數(shù)： 負(fù)（NE，Negative ）， 正小（ PS， Positive small ），正大（ PB， Positive big ）, ?。↙E，Little ），中（ ME，Middle ），大（GE， Great ）。I O的成員函數(shù)中： NE代表剎車(chē)或下坡時(shí)能 量的回饋， PS是正常駕駛模式， P

15、B 是加速或爬坡時(shí) 的輸出電流。 LE、ME、 GE相對(duì)于各能量源剩余電量 的多少。模糊控制規(guī)則如表 1、表 2、表 3 所示。表1 電動(dòng)車(chē)正常駕駛模式時(shí)模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table under the normal driving condition of the electric vehicleIOSOCbtSOCUCdUCPSHIGHHIGHZEPSHIGHGOODNSPSHIGHLOWNBPSGOODHIGHPSPSGOODGOODZEPSGOODLOWNSPSLOWHIGHPBPSLOWGOODPSPSLOWLOWZE表2車(chē)輛加速或爬坡時(shí)

16、模糊控制規(guī)則表Tab.2Fuzzy control ruletable under theaccelerating or climbingcondition of the electricvehicleIOSOCbtSOCUCdUCPBHIGHHIGHPBPBHIGHGOODZEPBHIGHLOWNBPBGOODHIGHPBPBGOODGOODPSPBGOODLOWNSPBLOWHIGHPBPBLOWGOODPSPBLOWLOWZE表 3 車(chē)輛加速或爬坡時(shí)模糊控制規(guī)則表Tab.3 Fuzzy control rule table under the braking and downhill c

17、ondition of the electric vehicleIOSOCbtSOCUCdUCNEHIGHHIGHZENEHIGHGOODPSNEHIGHLOWPBNEGOODHIGHNBNEGOODGOODPSNEGOODLOWPBNELOWHIGHNBNELOWGOODPSNELOWLOWPB各輸入輸出的隸屬度函數(shù)如圖3 所示。1LOWGOODHIGH0.5000.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6 SOCbt0.7 0.8 0.9 1SOCuc-1-0.8-0.6 -0.4-0.20Io0.20.40.60.8 11NBNSZEPSPBPB0.501-0.8-0.6 -0.4-0.

18、20 duc0.20.40.60.8 1圖 3 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership functions of the input and output variables3 仿真研究對(duì)上述模型用 MATLAB進(jìn)行仿真 9-10 。 Buck 模式 下恒壓運(yùn)行，直流輸入130V，給定輸出電壓指令110V，負(fù)載在 1s 時(shí)由半載加至滿(mǎn)載，輸出電壓、負(fù) 載電流階躍響應(yīng)波形如圖 4 所示。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2圖 4 Buck 輸出電壓、電流仿真波形Fig.4 Buck output voltage and current wa

19、veform simulation由圖可知，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差近于零，調(diào)節(jié)時(shí) 間為毫秒級(jí)，系統(tǒng)能夠快速穩(wěn)定地響應(yīng)指令電壓， 負(fù)載變化時(shí)輸出電壓抖動(dòng)很小，并能迅速恢復(fù)。Boost 模式下恒壓運(yùn)行，直流輸入 150V，給定 輸出電壓指令 110V，負(fù)載在 1.05s 時(shí)由半載加至滿(mǎn) 載，輸出電壓、負(fù)載電流階躍響應(yīng)波形（ 以 BUCK電流為正方向 ） 如圖 5 所示，閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行性能與 Buck 模式相當(dāng)。圖 5 Boost 輸出電壓、電流仿真波形Fig.5 Boost Output voltage and current waveform simulation4 結(jié)束語(yǔ) 仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了在電動(dòng)車(chē)

20、的雙能量系統(tǒng) 中，采用模糊控制改造雙向 DC-DC 變換器的電流內(nèi) 環(huán)，使得變換器根據(jù)車(chē)輛的不同運(yùn)行工況快速響應(yīng) 負(fù)載的動(dòng)態(tài)需求。利用超級(jí)電容器作為輔助能量源 能提供足夠高的峰值電流、快速回收制動(dòng)能量，將 其與蓄電池組并聯(lián)使用 , 可以有效地彌補(bǔ)蓄電池低 比功率、不支持大放電電流等不足，有效延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，提高了能量回收和利用效率。參考文獻(xiàn)1 田玉冬 , 朱新堅(jiān), 曹廣益 . 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池技術(shù) J. 移動(dòng)電 源與車(chē)輛 , No3.2003.36-412 丁心志 , 畢志周 , 曹敏 , 等 . 電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)技術(shù)分析與 試驗(yàn)研究 J. 電測(cè)與儀表 . No4.2012.14

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