纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究

气通；，埘—一■。每冀董■霄∥１，分类号：Ｕ４６１０７１０．Ｂ２３００８媛步犬海博士学位论文纯电动汽车驱动与制动能量回收控制策略研究汪贵平导师姓名职称马建教授申请学位级别论文提交日期学位授予单位答辩委员会余强学位论文评阅人曹秉刚史忠科赵祥模高利许洪国ｔＳｔｕｄｙｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＤｒｉｖｉｎｇａｎｄＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇｆｏｒＰｕｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎＰａｒｔｉａｌＳａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅＤｅｇｒｅｅｏｆＤｏｃｔｏｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣａｎｄｉｄａｔｅ：ＷａｎｇＧｕｉｐｉｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＭａＪｉａｎＣｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｃｈｉｎａ论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：弘龟千钞。／年ｒ二月力占日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学（保密的论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：多王彘军少。尸年厂上月衫日导师签名：马建二。呷年ｆｚ月２多日校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。摘要纯电动汽车具有高效、低噪声、零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，其应用和普及已成为汽车工业可持续发展的必然趋势。迄今为止，续驶里程不足仍然是制约纯电动汽车商业化的瓶颈。为实现有限能量源的充分利用，提高驱动系统效率及再生制动能量回收是目前亟待解决的问题。在此背景下，本文以陕西省重点科技攻关计划项目为依托，在高效电驱动系统、再生制动能量回收、双能量源存储系统和优化控制策略等方面，通过理论推导、仿真与实验获得纯电动汽车的研制依据和实验数据，为高性能纯电动汽车的研究与开发提供理论基础和工程经验。论文的研究工作及主要创新点包括：１．在分析电动汽车动力学和电机模型的基础上，建立了永磁直流电机拖动汽车的动力学数学模型，该模型更好地反映了电动汽车运动受风阻影响这一特殊性。考虑到电机通用数学模型的普适性，决定采用其主要参数和环节，并辅之相应的非线性环节构建电机拖动汽车的动态结构图。同时，推导出转动惯量和机电时间常数的计算公式，使各参数的物理意义更加明确，实现了机（汽车）电（电机）系统的有机结合。２．系统分析了纯电动汽车驱动与再生制动能量回收的控制策略，针对蓄电池单能量源纯电动汽车，以车速为控制目标，研究了电动运行状态的各种控制方案，详细分析了系统的构成、稳态结构和动态响应，比较了各自的优缺点和适用范围。为了充分利用再生制动的功能，分析了纯电动汽车再生制动的工作原理，研究了能量回收的控制策略，利用Ｍａｔｌａｂ仿真验证了理论研究的Ｊ下确性。３．以城市公交中巴客车作为纯电动汽车的改装对象，简要介绍了纯电动试验样车的基本结构、完成了控制系统配套所需电气控制线路的设计。在此基础上，提出了控制器系统的总体设计方案，完成了器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作，同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限ＰＷＭ功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示，完成了智能仪表盘的软硬件设计。在实验室完成了系统功能测试。４．根据超级电容加双向ＤＣ／ＤＣ变换器与蓄电池并联的结构，设计了双能量源系统的主回路电路结构，并对其工作状态进行了详细分析，以满足纯电动汽车对比能量和比功率的双重要求。在此基础上，根据整车的性能要求和配置情况，分别从能量和功率角度对双能量源系统的蓄电池、超级电容单体串联数目及各节容量进行了理论计算和匹配设计。利用扩展的ＡＤＶＩＳＯＲ仿真软件对双能量源的匹配参数进行了仿真优化及结果校验，可以满足纯电动汽车对双能量源系统的要求。５．根据纯电动汽车的不同工作状态，设计了双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制策略。在电动运行状态下以“稳压”为目标，实现超级电容和蓄电池的输出电压相匹配；在制动运行状态下以“稳流”为目标，实现对超级电容和蓄电池的恒流充电。建立了电动状态电压控制和制动状态电流控制的Ｍａｔｌａｂ仿真模型，验证了模糊自调整控制策略的正确性和有效性。６．针对双能量源纯电动汽车的制动力分配和能量管理控制问题，提出了双能量源制动力分配和能量管理的模糊控制策略，并从整车经济性、动力性、能量源效率和制动能量回收四个角度对所制定的双能量源模糊控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明，模糊控制策略可以合理分配蓄电池和超级电容的输出功率，综合发挥双能量源特长，提高整车的动力性和经济性。７．对ＡＤＶＩＳＯＲ２００２仿真软件进行了二次开发，获得了界面友好且适合双能量源纯电动汽车仿真的专用平台，克服了用ＡＤＶＩＳＯＲ软件不能对双能量源纯电动汽车进行性能仿真的缺点。结合典型循环工况，对双能量源纯电动汽车及其控制策略进行了性能仿真，仿真结果表明双能量源纯电动的经济性和动力性都得到了提高。关键词：纯电动汽车，电驱动系统，超级电容，双能量源系统，模糊控制，能量管理系统，再生制动ＨＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｎｏｉｓｅａｎｄｌｉｔｔｌｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｐｕｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＰＥＶ）ａｒｅｌｅａｄｉｎｇａｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｉｎｄｕｓｔｒｙｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｇｒｏｗｉｎｇｏｉｌｓｈｏｒｔａｇｅｎｏｗａｄａｙｓ·Ｓｏｆａｒ，ｉｎａｄｅｑｕａｔｅｄｒｉｖｉｎｇｒａｎｇｅｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｍａｊｏｒｆｅｎｃｉｎｇｔｏｈｉｎｄｅｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰＥＶ，ｎｅｗｅｆｆｏｒｔｓａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｓａｇｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｒｅｃｙｃｌｉｎｇｆｏｒｌｉｍｉｔｅｄｅｎｅｒｇｙａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙａｐｒｏｖｉｎｃｉａｌｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅＰＥＶｉｓｓｕｅｓｌｉｋｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇ，ｄｕａｌ－ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ（ＤＥＳＳ），ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ＆ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆＰＥＶ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋａｎｄｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎａｒｅｓｕｒｎｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆＰＥＶａｎｄＤＣｍｏｔｏｒ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃＳ．ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｍｏｄｅｌｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｄｒｉｖｅｎｂｙｐｅｒｍａｎｅｎｔＤＣｍｏｔｏｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｔｌｉｃｈｃ锄ｂｅｔｔｅｒｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ＢｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｇｅｎｅｒａｌＤＣｍｏｔｏｒｍｏｄｅｌ，ａｎｅｗｄｙｎａｍｉｃｇｒａｐｈｔｂｒｍｏｔｏｒ－ｄｒａｇｇｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｓｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｍａｉｎｌｙｂｙｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ＆ｌｉｎｋｓｉｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｌＤＣｍｏｔｏｒ，ａｓｓｉｓｔｅｄｂｙｓｏｍｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｉｎｋｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｉｎｅｒｔｉａａｎｄｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔｉｓｓｕｍｍｅｄｕｐ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｅａｎｉｎｇｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉＳｃｌｅａｒｅｒ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｍｏｔｏｒｉＳｍｏｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅ·ｔ，２．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｄｒｉｖｉｎｇａｎｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｓｖｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ．ＦｏｒＰＥＶｗｉｔｈｓｏｌｅ．ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ，ａｎｄｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｔａｔｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，ｓｔｅａｄｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ，ａｓｗｅｌｌａｓｍｅｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｏｐｅ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｆｏｒＰＥＶｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｅｎｅｒｇｙｒｅｃｙｃｌｉｎｇｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｉｎＭａｔｌａｂ．３．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｔｏｒｅａｓｓｅｍｂｌｅａｃｉｔｙｔｒａｎｓｉｔｂｕｓｔｏａｔｅｓｔＰＥｖ’ｔ１１ｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＰＥＶｉｓｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ，ａｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ，ａｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｗｏｑｕａｄｒａｎｔＰＷＭｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅｏｆｄｅｂｕｇｇｉｎｇａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｌＩＩｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｅｔｅｒｐａｎｅｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄｉｎｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．４．Ｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｕａｌ－ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｈｉ曲一ｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅＤＥＳＳｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｂｅａｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｂａｔｔｅｒｙａｎｄｕｌｔｒａ－ｃａｐａｃｉｔｏｒｐｌｕｓｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｎｐａｒａｌｌｅｌ．ｎｌｅｍａｉｎ—ｌｏｏｐｃｉｒｃｕｉｔｏｆＤＥＳＳｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｓｔａｔｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒａｎｄｅｎｅｒｇｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＤＥＳＳａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｅｒｍｏｆｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｆｏｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｔｅｎｄｉｎｇＡＤＶＩＳＯＲｓｉｍｕｌａｔｏｒ、析也ｄｕａｌ—ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅａｕｔｏ·ｓｉｚｉｎｇ．５．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｔｍｎｉｎｇｓｔａｔｅｓｏｆＰＥＶ，ｔｈｅｆｕｚｚｙｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｂｉ—ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｎｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｆｏｒｗａｒｄｒｕｎｎｉｎｇｓｔａｔｅ，ｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉ§ｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｖｏｌｔａｇｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｂａｌａｎｃｉｎｇｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｐｕｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂａｔｔｅｒｙａｎｄｕｌｔｒａ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｉｎｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｓｔａｔｅ，ｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｕｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｃｏｎｓｔａｎｔｃｈａｒｇｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｆｏｒｔｈｅｂａｔｔｅｒｙａｎｄｕｌｔｒａ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ．ｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＤＣ／ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉＳｅｓｔａｌｉｓｈｅｄｉｎＭＡＴＬＡＢ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．６．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｒａｋｉｎｇｆｏｒｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｗｏｆｕｚｚｙｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒＰＥＶｗｉｔｈＤＥＳＳ．ＡｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＷ．ｒ．ｔ．ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｐｏｗｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｐｏｗｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙｒｅｃｙｃｌｉｎｇｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｕｚｚｙｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｃａｌｌｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆＤＥＳＳ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎＤＥＳＳ，ａｎｄａｔｔａｉｎａｂｅｔｔｅｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．７．Ａｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ、析ｔｌｌｆｒｉｅｎｄｌｙｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｕｒｅｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ（ＰＥＶ）谢ｍＤＥＳＳｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡＤＶＩＳＯＲ．刀ｌｅｎｅｗｐｌａｔｆｏｒｍｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ西ａｆＡＤＶＩＳＯＲｃａｌｌｎｏｔｓｉｍｕｌａｔｅＤＥＳＳ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｙｐｉｃａｌｃｙｃｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｆｏｒＰＥＶ诵ｔｌｌＤＥＳＳａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．１１１ｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙａｎｄｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅＰＥＶｗｉｍＤＥＳＳａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｕｒｅＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ（ＰＥＶ），ＥｌｅｃｔｒｉｃＤｒｉｖｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，Ｕｌｔｒａ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ，Ｄｕａｌ－ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍ（ＤＥＳＳ），ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌ，ＥｎｅｒｇｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇＩＶ目录第１章绪论………………………………………………………………………．．１１．１选题背景……………………………………………………………………………………１１．２研究的目的及意义…………………………………………………………………………１１．３国内外电动汽车发展概述…………………………………………………………………２１．３．１电动汽车的分类与特性分析………………………………………………………２１．３．２国外纯电动汽车发展概述…………………………………………………………３１．３．３国内纯电动汽车发展概述…………………………………………………………．５１．４纯电动汽车电驱动与制动能量回收控制技术的研究现状………………………………．７１．５本文的研究内容及章节安排……………………………………………………………．１０１．６本章小结…………………………………………………………………………………ｌｌ第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究………………………１２２．１电动汽车动力学建模……………………………………………………………………ｌ２２．２电动汽车驱动电机数学模型……………………………………………………………．１３２．２．１永磁直流电机模型………………………………………………………………１３２．２．２永磁直流电机驱动电动汽车的数学模型…………………………………………１４２．３二象限ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型…………………………………………………………１７２．３．１二象限ＤＣ／ＤＣ变换器工作原理分析……………………………………………１７２．３．２二象限ＤＣ／Ｉ）Ｃ变换器的数学模型………………………………………………２ｌ２．４脉宽调速系统的开环车速特性……………………………………………………………２１２．５电动汽车驱动系统要求及相关参数……………………………………………………．２３２．５．１电动汽车对驱动系统的要求…………………………………………………．：；．．．２３２．５．２主要部件的参数…………………………………………………………………２３２．６电动汽车驱动控制系统研究……………………………………………………………２５２．６．】车速开环控制系统…………………………………………………………………２５２．６．２电流单闭环车速控制系统…………………………………………………………２６２．６．３车速．电流双闭环控制系统………………………………………………………．２８２．７电动汽车再生制动控制策略及仿真研究………………………………………………．．３５２．７．１电动汽车再生制动的数学模型……………………………………………………３５２．７．２电动汽车再生制动控制策略研究………………………………………………．．３６２．７．３电动汽车再生制动仿真及分析…………………………………………………。３９２．８本章小结…………………………………………………………………………………４３第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计…………………………………“３．１纯电动试验车系统的基本结构…………………………………………………………４４３．２电气控制线路设计………………………………………………………………………４４３．３控制器系统设计…………………………………………………………………………．．４５３．３．１控制器总体方案设计………………………………………………………………４５３．３．２硬件电路设计……………………………………………………………………。４７３．３．３软件设计……………………………………………………………………………５５３．４智能仪表盘设计…………………………………………………………………………６４３．４．１硬件设计……………………………………………………………………………．６４３．４．２软件设计…………………………………………………………………………．６８３．５系统测试与实验……………………………………………………………………………７４３．６本章小结…………………………………………………………………………………７７第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配………………………．７８４．１电动汽车双能量源系统的研究现状…………………………………………………．７８４．２电动汽车双能量源匹配结构的分析与选择……………………………………………８０４．２．１双能量源并联匹配结构的分析……………………………………………………８１４．２．２双能量源匹配结构的选择………………………………………………………。８ｌ４．３电动汽车双能量源存储系统的主回路设计……………………………………………８３４．３．１双能量源系统主回路设计…………………………………………………………８３４．３．２双能量源系统的主回路工作原理分析…………………………………………。８４４．４双能量源系统的参数匹配………………………………………………………………８７４．４．１双能量源系统的理论计算………………………………………………………。８７４．４．２基于理论计算的双能量源参数匹配……………………………………………。９１４．５基于ＡＤＶＩＳＯＲ的双能量源系统的匹配优化与校验…………………………………９２４．５．１ＡＤＶＩＳＯＲ纯电动车单能量源参数匹配算法简述………………………………．９３４．５．２针对双能量源的ＡＤＶＩＳＯＲ仿真匹配算法………………………………………９３４．５．３匹配优化结果及分析……………………………………………………………．．９５４．６本章小结……………一…………………………………………………………………９５第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略……………………………………９６５．１模糊控制的理论基础……………………………………………………………………。９６５．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制………………………………………………．９８５．２．１双向ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型……………………………………………………．９８５．２．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器控制策略分析……………………………………………。１０１５．２．３双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制器设计………………………………．１０３５．２．４仿真结果及分析…………………………………………………………………１０５５．３双能量源电动汽车制动力分配的模糊控制…………………………………………．．１０６５．３．１电动汽车制动力分配的模糊控制器设计………………………………………１０６５．３．２仿真结果及分析…………………………………………………………………ｌ１ｌ５．４双能量源电动汽车能量管理的模糊控制策略………………………………………。１１３５．４．１双能量源电动汽车能量管理建模………………………………………………ｌ１３５．４．２双能量源电动汽车能量管理的模糊控制分析…………………………………１１３５．４．３双能量源电动汽车能量管理的模糊优化控制器设计…………………………．１１５５．４．４仿真结果分析……………………………………………………………………１１６５．４．５模糊控制策略的改进……………………………………………………………１１８５．５本章小结…………………………………………………………………………………１１９第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真………………。１２１６．１国外汽车仿真软件概述………………………………………………………………。１２１Ⅱ６．２汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ……………………………………………………………１２２６．２．１ＡＤＶＩＳＯＲ混合仿真方法………………………………………．ｊ……………………．１２２６．２．２ＡＤＶＩＳＯＲ的组成与运行过程…………………………………………………１２４６．３面向双能量源纯电动汽车的ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发…………………………………．１２５６．４双能量源纯电动汽车仿真结果及分析………………………………………………１３４６．４．１蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的仿真结果及分析…………………１３４６．４．２双能量源逻辑门限与模糊控制策略的仿真结果及分析………………………１３８６．５本章小结………………………………………………………………………………。１３９第７章总结与展望………………………………………………………………１４１７．１全文总结………………………………………………………………………………．１４１７．２研究展望………………………………………………………………………………１４２参考文献……………………………………………………………………………．１４３攻读博士学位期间完成的主要论文及著作…………………………………………．１５１攻读博士学位期间主持和参加的科研项目…………………………………………．１５２致谢………………………………………………………………………………………………………．．１５３ＩＩ！长安大学博士学位论文第ｌ章绪论１．１选题背景汽车业是世界经济发展的支柱性产业，现代汽车己经成为人类生活的重要交通工具。经过１００多年的发展，传统内燃机汽车已逐步实现机、电、液和现代科技一体化的全面应用，在性能、安全、环保、节能和成本等方面取得了重大的进展【１１。但是，随着汽车业的高速发展，全球汽车保有量急剧增加，内燃机汽车所引起的环境污染、能源短缺、资源枯竭等问题日益严重，汽车工业的可持续发展面临着环境污染与能源安全的双重压力。以我国为例，据有关报道目前汽车消耗的石油量占整个国内市场的４０％，未来５年还会上升到５０％；大城市８０％以上的一氧化碳、４０％以上的氮氧化物都来自汽车尾气排放。为了保护人类的居住环境和保障能源的可持续发展，各国不惜投入大量人力、物力、财力寻求解决能源和环境问题的最佳途径【２，３１。电动汽车是指以车载电源为动力，利用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆［４１。与传统内燃机汽车相比，电动汽车具有高效、节能、低噪声等显著优点，在环境保护和节能方面具有不可比拟的优势，是解决能源危机和环境污染问题的最有效途径【５】ｏ近年来，电动汽车的研发已经成为各国和世界各大著名汽车制造商的研究热点，并在世界各国呈现加速发展的趋势。研究热点主要包括高性能的能源存储系统开发、高效率的驱动系统研制、再生制动能量回收技术、整车材料的轻型化、整车优化和集成控制系统的开发等研究内容。比如，美国、日本、欧洲的一些发达工业国家和公司均已投入巨资进行电动汽车的及其基础设施的研究和开发工作，甚至一些国家还从法律上逐步或禁止重要城市燃油汽车的数量。尽管电动汽车的研究与发展在各国均有了很大的成绩，但其相关关键技术还有待于进一步研发。因此，本课题以纯电动汽车的工程项目“纯电动汽车试验车研究（批准号：２００１Ｋ１０．Ｇ１）＂为背景，立足于其动力系统性能的优化设计与控制，主要研究纯电动汽车的驱动控制策略、再生制动、纯电动试验车改装、双能量源参数匹配与优化、能量管理策略、系统仿真等内容。１．２研究的目的及意义能源是人类生存的基本要素，是经济发展的主要物质基础。自工业开始ｌ第ｌ章绪论以来，全球的能源消耗急速增长，引起了严峻的能源枯竭和环境污染问题，工业发展的典型产物—球统内燃机汽车同样也不例外。因此，低噪声、零排放、能源综合利用等已经成为汽车工业的未来发展方向。在我国，随着国民经济持续高速发展，轿车已成为居民消费的主要商品之一，汽车工业面临快速发展机遇的同时，其对石油资源需求的激增和对环境保护的负面影响也日益引起人们的关注。我国自１９９３年成为石油进口国后，２００３年成为世界第二大石油消费国，２００８年进口石油２亿吨，目前世界上空气污染最严重的１０个城市中７个在中国。因此，节能、环保也是我国汽车工业可持续发展的重要途径，对于我国发展国民经济、构建和谐社会具有重要意义。电动汽车是一个跨学科、跨行业的系统工程，其构想与研制均早于内燃机汽车。一方面，电动汽车不仅是一种运输车辆，更是一种全新的电气设备，是汽车、电力电子、电力拖动、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物，它所面临的主要问题是要将汽车、电气、电子以及化学工程领域中最新的技术成果结合到电动汽车的设计中来，探求适合于电动汽车的独特设计方法和制造技术，以实现电动汽车能量的最优化利用。另一方面，电动汽车又涉及车辆、控制理论、电力电子等众多学科领域，它对能量源（包括蓄电池、超级电容、高速飞轮和燃料电池等）、能源管理、电机等行业，既是发展应用新技术的挑战，也是合成新兴支柱产业的重大机遇。因此，电动汽车的研究与开发具有巨大的现实意义。总之，电动汽车作为一种无污染和多能量源的绿色交通工具，势必成为汽车工业的未来发展方向【６１。本论文着眼于高性能纯电动汽车的研发，以开发高性能、高效率、高指标的纯电动汽车驱动系统和设计相应优化控制策略为目的，主要研究纯电动汽车动力系统建模、电驱动系统设计、能源管理策略优化、系统建模仿真和整车集成控制技术等内容，通过分析比较和仿真实验验证，获得纯电动汽车用价值。１．３国内外电动汽车发展概述１．３．１电动汽车的分类与特性分析电动汽车指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车【ｌ】，包括以高２研制的实际经验和理论数据，为高性能纯电动汽车的研发提供理论基础和工程经验。对于电动汽车高新技术的研究，本课题研究均具有重要的理论意义和实际应长安大学博士学位论文效能蓄电池为动力源的纯电动汽车、以燃油发动机与驱动电机混合驱动的混合动力电动汽车和以燃料电池为动力的燃料电池电动汽车三种类型。目前，纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车处于不同的发展阶段，其驱动方式、能量源系统、能源和基础设施、特点和主要问题如表１．１示…１１。从表１．１的对比可以看出，蓄电池电动汽车主要适用于短程、低速的城市公共交通：混合动力电动汽车可满足大多数使用者的要求，但其成本是主要问题；燃料电池电动汽车具有作为未来主流汽车的潜力，但其技术尚处于研发阶段，成本太高和氢氧燃料供应是其主要问题。表１．１蓄电池电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的特征电动汽车类型纯电动汽车混合动力电动汽车燃料电池电动汽车驱动方式电机驱动内燃机、电机驱动电机驱动能量源系统蓄电池、超级电容蓄电池、超级电容和内燃料电池、蓄电池和燃机超级电容能源和基础设施电网充电设施加油站、电网充电设施氢气零排放、不依赖原油、零排放或超低排放、主要特点续驶里程短（１００．低排放、续驶里程长、能源效率高、续驶里２００ｋｍ）、初始成本高依赖原油、结构复杂程较长、成本高蓄电池和超级电容管理主要问题燃料电池、燃料处理复杂、依赖充电基础设多能源管理、优化控制、施蓄电池评估与管理复杂器和燃料系统复杂１．３．２国外纯电动汽车发展概述纯电动汽车作为一种绿色交通工具，最早出现于１８７３年的欧洲，由于蓄电池、电机、驱动控制系统等技术的，其发展远远落后于传统内燃机汽车。直到２０世纪７０年代，石油危机才使工业发达国家重新认识到发展电动汽车的重要性，开始了电动汽车的第二次研究与开发热潮，在许多基础技术的研究上取得了丰硕成果。近年来，出于环境保护和资源节约的双重考虑，又掀起了第三次电动汽车的研发热潮，美、日、欧许多家公司（包括美国通用、福特、克莱斯勒公司，日本的丰田、日产、本田公司，法国的雷诺、标致、雪铁龙公司，意大利的菲亚特公司以及瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司等）均把电动汽车的研发看作解决环境和能源问题的一种有效手段，不惜投入巨额资金，竞相展开新一代电动汽车的研究与开发工作【１２】。美国三大汽车公司通用、福特和克莱斯勒于１９９１年联合成立了美国先进电３第ｌ章绪论池联合体，投入了４．５亿美元（其中拨款２．２５亿美元），共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃料电池等各种高性能蓄电池。９０年代初期，通用汽车公司投入１０亿美元开发了ＥＶ－Ｉ纯电动轿车，并发展到第二代通用ＥＶ－ＩＩ。该车采用高容量铅酸电池和镍氢电池，１３７马力、３相ＡＣ感应发动机驱动，最高时速可达８０公里／ｄ，时，一次充电里程７５．１３０千米，完全充电时间５．５．６小时。１９９６年通用公司在底特律新建电动汽车生产线，日产量１０辆，至１９９９年共生产了９５０辆纯电动汽车。福特公司２００２年推出全新的ＴＨ！ＮＫ都市车，该车为前轮驱动，采用交流驱动系统和单速齿轮减速传动装置。１９９２年克莱斯勒公司、美国电力研究院与南加州爱迪生公司共同开发５０辆电动货车，１９８６年到１９９０年福特汽车和通用电气公司联合开发Ｅ跹．Ｉ、ＥＸＥ．ＩＩ电动汽车。通用汽车在２００７上海国际汽车工业博览会推出新款雪佛兰Ｖｏｌｔ概念车，采用了最新研发的Ｅ．Ｆｌｅｘ动力推进系统，在１１０伏电源上充电约六小时即可充满锂电池，使用２２０伏电源充电所需时间更短，使用纯电动模式可在城市道路上行驶约６４千米；当内置电池组中的电能耗尽后，Ｅ．Ｆｌｅｘ动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴油、氢气等能源转化成电能，从而为车辆的行驶确保有足够的电力驱动能力。日本一直很重视电动汽车的发展，很早就制定了电动汽车发展计划，几乎所有的著名汽车生产厂家（如丰田、尼桑、本田、马自达、铃木汽车公司等）都制定了自己的电动汽车研发和商业化发展计划。１９９１年通产省制定了第三届电动汽车普及计划，用于推动电动汽车的普及与应用。１９９７年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车。９０年代末，丰田公司研制出ＲＡＶ－４ＥＶ型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护５０ｋＷ交流同步电动机，由２８８Ｖ镍氢电池提供电能，充电时间５－６小时，最高车速为１２５千米／ｄ，时，一ＥＶ五座４次充电行驶距离２１５千米，零售价４．２万美元／辆（同型的汽油车零售价为２万美刃辆），其中电池成本占整车成本的４０％。日产公司研制成功了Ｌｕｎｎｅｔ纯电动轿车，该车采用锂离子电池，最高车速１２０千米／，Ｊ、时，一次充电行驶２３０千米。２００５年日本三菱公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车＿ｉ蚕动型小马Ｃｏｌｔ牌５人座的低中级电动轮轿车，空车重量只有１．１５吨，。装有两台最高转速为１５００转／分，功率为２０千瓦，最大扭矩为６０Ｎ·ｍ的永磁式三相交流同步伺服电动机；电机电源选用锂离子蓄电池组，由２２个锂离子蓄电池模块并联组成具有高能量密度、可急速充电的能量源，每次充电可行驶１５０千米，最高时速长安大学博士学位论文１５０千米／ｄ，时。日本著名大学庆应义塾和一些民间企业共同研发的八轮电动轿车——艾利卡（Ｅｌｉｉｃａ），从静止状态加速到１００千米／小时仅需４．２秒，最高车速则可达３７０千米／ｄ，时，但其成本较高。欧洲的许多国家，尤其是法国、德国、意大利和英国都发起了进入电动汽车市场的电动汽车发展计划。法国的标致．雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制电动汽车，１９９０年Ｊ．５和Ｃ．２５电动货车投入生产，１９９５年建成世界上第一条电动轿车专用生产线，１９９５年标致１０６和雪铁龙ＡＸ电动汽车投入生产。法国电力公司和博洛尔集团（Ｃｎ＇ｏｕｐＢＯＬＬＯＲＥ）成立了一个联合子公司ＢａｔＳｃａｐ，开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池（ＬＭＰ）的电动蓝色轿车（Ｂｌｕｅｃａｒ），最大续驶里程２００千米，最高时速１２５千米／ｄ，时。大众汽车公司在第１８届国际电动汽车展上推出的电动汽车能量来自３００千克的充电电池，在１２秒内可从静止状态加速到１００千米／ｄ，时，最高车速１４０千米／小时。英国电动汽车使用量也比较多，估计有超过２０万辆市内专用电动汽车正在运行。１９９０年意大利菲亚特汽车公司开始生产电动汽车，载重质量为１３３０千克，车速为７０千米／ｄ，时，行驶里程为１００千米。１．３．３国内纯电动汽车发展概述自上世纪８０年代以来，我国就非常重视电动汽车的发展。“八五”期间，电动汽车列入国家科技攻关计划，重点开展电动汽车关键技术的研究；“九五”期间，电动汽车正式列入国家重大科技产业工程项目；“十五”期间，电动汽车成为“国家８６３重点专项”，投资数亿元并提出了“三纵三横”研发布局。在纯电动汽车研发方面，清华大学是较早参与开发和研制的单位之一，１９９６年在北京国际ＥＶ展览会上展出了ＥＶ６５８０型电动小客车。该车整车整备质量２５５０千克，载客１６人，蓄电池的比能量４０瓦时／千克，最高车速８０千米／ｄ，时，放电深度８０％时一次充电续驶里程为１５５．６千米，放电深度６０％时一次充电续驶里程为１１６．７千米。北京理工科凌公司和天津清源电动车辆公司等单位牵头的纯电动汽车研发团队在“十五”期间不仅在承担的纯电动汽车项目上取得了突出成绩，还以取得的纯电动汽车核心技术为基础，在其它新能源汽车开发中也取得了巨大成就。以天津清源公司为例，２００３年７月，纯电动中型公交客车研发成功，２００５年投入公交线路试运行；同年，该型号纯电动客车成功出口韩国。“十一五”第ｌ章绪论期间，北京理工大学作为整车总体单位承担了８６３电动汽车重大专项“纯电动客车项目”，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动汽车运行示范、研究开发及产业化”等项目，已完成纯电动准低地板公交车、纯电动中巴客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、型式认证和定型设计，小批量研发生产的４种车型近４０辆公交车于２００５年６月２１日投入北京市一区一线（北京市内公交１２１线和密云电动汽车示范区）电动示范车队的示范运行。国内主要汽车制造企业对新能源汽车的开发和研制也投入了相当的人力和物力，并且取得了一定的成果，如表１．２示【１３ｌ。北京奥运会期间，奇瑞、长安、东风、一汽、京华及福田等汽车生产企业联合清华大学、北京理工大学等单位，向社会提供了自主研发的５５辆纯电动锂电池汽车、２５辆混合动力客车、７５辆混合动力轿车、２０辆燃料电池轿车，以及４００辆纯电动场地车等各种新能源汽车为奥运会服务。奥运会后，科技部还将计划连续３年在国内１０个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车、以及提供基础设施的大规模示范，到２０１０年底节能与新能源汽车达到１万辆。综合国内外纯电动汽车发展现状可知，世界上各国、汽车公司和科研院所都非常重视纯电动汽车的研发，有数十种不同结构和类型的纯电动汽车走出实验室在公路上试用，但续驶里程和初始成本等技术经济的综合性能指标尚未达到实用要求。目前，在蓄电池技术未取得重大突破的背景下，各国学者主要通过优化控制改善电动汽车电驱动系统的效率，以及当电动汽车处于制动状态时能合理、高效地将机械能转化为电能并存储于车载能量源中，最大限度的利用有限的能量。表１．２国内主要汽车公司的电动汽车计划及其取得的成就汽车企业主要研究内容取得成就“九五”期间，开始承担国家８６３计划电动一汽集团汽车重大专项资助项目，以深度混合动红旗世纪星、奔腾都有混合力汽车为研发实践版主要针对中度混合动力客车和纯电动小ＥＱ６１１０ＨＥＶ！混合动力客车东风汽车公司巴进行研发实践在国内首次完成滚翻安全性试验加快推进混合动力汽车产业化、积极探上汽集团索代用燃料汽车商品化、推动燃料电池超级电容大客车已经在上海技术研发和示范运营公交线路上示范运营６长安大学博士学位论文表１．２（续）混合动力汽车整车控制策略的开发和整长安汽车公司车匹配的标定技术，并在电池及管理技国内自主开发的第一条用于术、电机及控制技术方面取得了突破制造混合动力汽车的生产线比亚迪公司全球首家“铁”动力电池“ＥＴ－ｐｏｗｅｆ’电动铁电池经过高温高压撞击等汽车Ｆ３ｅ，纯电动车ｅ６试验测试，安全性能好主要研发弱混合动力轿车，积极研究中２００９年奇瑞Ｓ１８电动汽车顺奇瑞汽车公司度混合动力技术，深度混合动力是最终利下线，市场估计价格为７目标万元。１．４纯电动汽车电驱动与制动能量回收控制技术的研究现状纯电动汽车的核心是驱动系统，主要由驱动电机、功率变换器、机械传动装置和控制器等组成，其任务是在驾驶员的操作下，通过对驱动系统的控制将能量存储装置中的电能高效率地转换为车轮的动能，从而直接驱动电动汽车运行。目前，车载能量源性能、电驱动系统及其控制策略、制动能量回收均是影响电动汽车商业化的关键因素。１．车载能量源纯电动汽车多选用铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池等作为车载能量源，传统的蓄电池存在诸如比功率低，不能瞬时大电流充放电等缺点，了电动汽车动力性能的提高；燃料电池虽然可以获得与燃油汽车一样的续驶里程，但其输出特性偏软，不能满足电动汽车机动性要求；近年来发展起来的超级电容器具有高比功率、循环寿命长、瞬时放电电流大和充电时间短等特点，可以满足电动汽车动力性能的要求，但其比能量低的缺点制约了续驶里程的提高。近年来，尽管各种储能源的技术发展很快，但单一能量源在存储容量、能量密度、功率密度、体积、充电时间等方面存在不同程度的缺陷，不能同时满足电动汽车运行过程中对功率和能量的双重要求。为此，文献【４８】提出了主辅能量源方案，即采用两种或多种能量源复合，以满足电动汽车运行过程中对功率和能量的要求。文献【５４１针对电动轻卡行驶工况对能量的需求，提出使用蓄电池组和超级电容器并联组成双能量源，并利用ＤＣ／ＤＣ功率变换器提供电压匹配作用。文献［５６，５７］对双能量源系统的控制策略展开研究，在其研制的纯电动公交大客车上加装了超级电容器，电容配合蓄电池工作，并提出电流约束控制策略、速度约束控制策略以及综合控制策略。文献［５８，５９］针对纯电动面包试验车，重点研究了双能量源系统的再生制动能量回收ＰＩＤ、鲁棒玩控制策略等。上述研究成果在双能量源系统７第１章绪论的设计和应用上进行了开创性探索和实现，但对双能量源质量占整车质量的比例、主辅储能源之间的配置比例、参数匹配等研究相对较少。２．电驱动系统及其控制策略电驱动系统是纯电动汽车的研究重点，其核心装置主要由驱动电机、功率变换器、机械传动装置和控制器等部分组成，直接影响纯电动汽车的动力性能和经济性能。驱动电机的类型直接决定了其功率变换器和控制器的类型，也对能量控制有不同的要求。目前，电动汽车的驱动系统主要包括直流和交流两种类型。以直流电机为驱动电机构成的驱动系统称为直流电动机驱动系统，其驱动功率电路通常采用斩波控制方式，相应的驱动系统是直流．直流功率变换器。以交流感应电动机作为驱动电机构成的驱动系统称为交流感应电动机驱动系统，其相应的驱动功率电路采用逆变电路的形式。控制策略是纯电动汽车电驱动系统的灵魂，为了使电动汽车达到理想的性能，采用优良的控制方法可以大大改善驱动电机的性能，弥补电机设计的不足。电动汽车在行驶过程中，存在车载能量源电压、道路状况和驾驶模式多变等因素，为保证良好的驾驶特性和乘坐舒适性，对于驱动系统及其控制策略的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。目前，国内外学者对其进行深入研究，将传统ＰＩＤ控制，双闭环调速控制、变结构和鲁棒也控制等方法移植到电动汽车的驱动系统中，并取得了较好的效果【１４·１蚰０，５９］。文献［１４】重点分析电动汽车关键技术、鲁棒以驱动控制、制动能量回收控制和运动控制系统上应用的研究现状，展望了未来发展趋势。文献【１９】选用直流永磁电机作为的驱动电机，设计了电动汽车的驱动控制策略…．电流闭环控制。在各种系统摄动情况下，对鲁棒玩控制与传统ＰＩＤ控制进行了驱动与再生制动控制性能的比较，基本满足电动汽车的试用要求。文献［２０】建立了电动汽车用无刷直流电动机的数学模型，对无刷直流电动机及其转速／电流双闭环调速控制系统的阶跃响应进行了设计与仿真，改善了电动机的机械特性，可满足电动汽车驱动的要求，但没有融合汽车车速、行驶阻力和启动加速特性。文献【５９】将也鲁棒控制技术引入到电动汽车的驱动控制中来，针对电动汽车在行驶过程中各参数复杂多变的特点，将电动汽车驱动控制问题转化为加权混合灵敏度问题，保证了闭环系统在参数摄动与未建模动态等不确定性影响下的鲁棒性。８长安大学博士学位论文近年来，随着驱动电机和驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，控制界许多学者将智能控制引入电动汽车驱动控制的研究。虽然智能控制的初衷是为了对付那些难以建模的复杂对象，但利用智能控制非线性、变结构、自寻优等各种功能可以克服电机传动系统变参数与非线性等不利因素，从而提高系统的鲁棒性。目前，有关模糊推理和神经网络的电动汽车驱动控制较为成熟，但没有综合考虑电机和功率变换器特性对整车性能的影响，并推广到双能量源纯电动汽车的研究成果相对较少。３．制动能量回收制动能量回收是在保证车辆行驶稳定性的前提下，将电动汽车制动或减速时的一部分机械能经再生系统转换为其他形式的能量，并经功率转化装置存储于储能单元中，同时产生一定的制动阻力使车辆减速制动【５１。由于再生制动利用了原本被消耗于摩擦制动的能量，对降低电动汽车的能耗，改善汽车的经济性能有十分重要的作用。因此，在目前的电动汽车技术研究中，再生制动已成为一种降低能耗、提高续驶里程的重要技术手段。文献【２ｌ】对电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统的低速能量回馈制动系统进行了研究，详细分析了电机转速低于电机空载额定转速时电磁制动及能量回馈的原理，并提出了一种低速能量回馈制动的简便控制算法。文献【２２】从脉宽调制的微观角度和电机控制系统的宏观角度对电动汽车永磁直流电机系统的再生制动和能量回馈进行了理论分析，提出了最大回馈功率方式、最大回馈效率方式和恒值电流制动方式三种再生制动方式，并对这三种方式进行了分析比较。文献［２３】从制动力的角度对纯电动汽车的再生制动系统进行研究，在分析了传统汽车制动理论的基础上，提出了电机再生制动力和摩擦制动力以及整车前、后轮制动力的联合控制策略。文献［２７】在总结电动汽车常见制动模式的基础上，结合制动能量回收的约束条件，提出了能量回收的最优控制策略。但电动汽车制动能量回收及能量控制的研究还处于起步阶段，有关再生制动系统建模、车辆制动动力学建模、再生制动能量控制、电流约束以及再生制动系统的仿真、实验模拟和综合评价等有待进一步的深入研究。综上所述，纯电动汽车电驱动与制动能量回收系统一方面必须极大限度地提高其驱动系统的效率：另一方面，必须开发高性能的储能源。对于第一个问题，可以采用高效的驱动控制和能量控制策略，在满足电动汽车行驶所需动力和经济９第１章绪论性能指标的前提下，尽量减少电驱动系统的输入能量；当车辆处于减速制动状态时，利用驱动电机作为发电机高效地将机械能转化为电能并存储于车载能量源中。对于第二个问题，利用两种或多种能量源混合，研究两种或多种能量源的结构匹配、质量比、参数匹配，以及制定适合两种或多种能量源中各部件工作的控制策略，以提高纯电动汽车的经济和动力性能。１．５本文的研究内容及章节安排基于对纯电动汽车电驱动与制动能量回收技术发展现状的分析，本文在课题组前期研究工作基础上，拟对电动汽车电驱动系统、制动能量回收、双能量源参数匹配与优化、以及能量管理与仿真等展开深入研究，进一步完善电动汽车电驱动系统与再生制动能量回收控制策略，为纯电动汽车的开发和产业化提供技术支持。本文的主要研究内容和章节安排如下：（１）第一章首先简要回顾了电动汽车的发展历史及研究现状，总结了电动汽车电驱动系统的构成及电动汽车对电驱动系统的要求，着重分析了影响电动汽车性能的车载能量源性能、电驱动技术、双能量源系统和能量管理问题的特点、研究现状及其存在的不足，最后指出目前的研究热点和本文的主要研究工作。（２）第二章在分析电动汽车动力学模型的基础上，以车速为控制目标，建立了永磁直流电机拖动汽车的动力学数学模型，实现了机（汽车）电（电机）系统的有机结合。进而设计了电动运行状态的车速／电流双闭环控制策略和再生制动时不同制动模式下的控制策略，使电动汽车获得良好的动力性能和经济性能。利用Ｍａｔｌａｂ仿真验证了理论研究的正确性。（３）第三章以城市公交中巴客车作为纯电动汽车的改装对象，完成了控制系统配套所需电气控制线路的设计。在此基础上，给出了控制系统的总体设计方案，包括器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作，同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限ＰＷＭ功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示，完成了智能仪表盘的软硬件设计，并在实验室进行了系统功能测试。（４）第四章针对蓄电池．超级电容双能量源纯电动汽车，主要研究蓄电池．超级电容双能量源的匹配结构、工作原理、参数匹配与优化策略等，满足电动汽车对储能源能量和功率的双重要求，最大限度地延长电动汽车的续驶里程、改善电动汽车的动力性能、实现再生制动能量回收。ｌＯ长安大学博士学位论文（５）第五章主要对双能量源纯电动汽车的优化控制策略进行研究，重点解决双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制策略、双能量源电动汽车再生制动力分配模糊控制策略和能量管理的模糊优化控制策略等问题，旨在制定适合双能量源中各部件工作的控制策略，实现动力性能和经济性能的统一。（６）第六章在电动汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ环境下，对蓄电池．超级电容双能量源电动汽车的制动力分配和能量管理优化策略进行了仿真验证。仿真结果表明：制动能量回收率有明显提高，为延长电动汽车的续驶里程提供了新途径。（７）第七章对全文工作进行了总结，并展望进一步的研究方向。１．６本章小结本章简要介绍了选题背景和研究目的及意义，进一步阐明了电动汽车作为一种无污染的绿色交通工具，势必成为未来新的交通工具。在此基础上，介绍了国内外电动汽车应用研究概况，重点对纯电动汽车电驱动与制动能量回收控制进行了文献综述，着重分析了影响电动汽车性能的电驱动系统和再生制动能量回收控制技术的特点、研究现状及存在的不足，指出目前的研究热点和本文的主要研究工作。０第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究本章在分析电动汽车动力学模型的基础上，结合各主要功能部件的工作原理及相应的数学模型，以车速为控制目标建立了电动汽车的行驶动态方程。在此基础上，对永磁直流电机驱动电动汽车的三种控制策略进行重点探讨，主要包括系统构成、稳态参数计算、动态结构图和系统特点。此外，还对电动汽车三种制动控制策略进行研究，分析了长下坡制动时电枢电流和坡度角之间的关系。在Ｍａｔｌａｂ７．０／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下，利用电动试验车数据分别对电动运行和再生制动进行了仿真，为实验调试提供了理论依据。２．１电动汽车动力学建模汽车在行驶时，需要克服的阻力有：滚动阻力毋、空气阻力Ｅ、坡度阻力正和加速阻力Ｆ。因此，汽车行驶方程为【１】：Ｆ／＂－－乃＋Ｅ＋ｃ＋ｃ＝ｆｍｏｇｃｏｓａ４－黑·１－ｍｏｇｓｉｎａ＋８ｔｏｏ蠡（２．１）其中，／为滚动阻力系数：ｍａ为整车质量，单位为Ｋｇ：ｇ为重力加速度，单位为ｍ／￥２；口为汽车在坡道上行驶时道路的坡度角；ＣＤ为空气阻力系数：Ａ为迎风面积，单位为ｍ２：ｙ为汽车的行驶速度，单位为ｋｍ／ｈ；万为汽车旋转质量转换系数。万主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关：。万：１＋上粤＋土丛孥（２．２）ｍｏｒｍｏｒ其中，Ｌ为车轮的转动惯量；‘为飞轮的转动惯量；ｉｏ为主传动比；‘为变速器的速比；坼为传动系的机械效率；，．为车轮半径。对于电动汽车而言，行驶时电机轴输出的转矩为Ｚ，经过变速器和减速箱后，传送到驱动轴上的转矩为Ｚ：Ｚ＝ｔ乞ｆｏ珊（２．３）又根据公式Ｚ＝ｆ，Ｉ可得：１２长安大学博士学位论文乙：ｏ：皂：竺三：：竺二墨竺竺兰墨兰（２．４）‘ｇＺｏｒｌｒ‘ｇｌｏＴｌＴ‘ｇｌ，，ｒ］ｒ令七２去，ＴＬＩ＂－］Ｃ／＇ｍａｇＣＯＳＯｒ＋ｋｍｏｇｓｉ…Ｃｌ＝慧，Ｃ２＝ｋＳｍｏ／３．６，则可得出电动汽车车速与电机输出转矩的关系为：互一无Ｉ＂－－Ｃｙ２＋Ｃ２警（２．５）式（２．５）是一非线性微分方程。当ｙ较小时，瓦增加，辈增加较快；当ｙ较出大时，ｚ增加，华增加较慢。不论采用何种电机驱动电动汽车，电动汽车运动讲过程必须满足式（２．５）。２．２电动汽车驱动电机数学模型２．２．１永磁直流电机模型与传统的绕线式励磁直流电机不同，永磁直流电机用永磁体代替励磁线圈和磁极，可以节省空间、减少励磁损失，因此永磁直流电机的功率密度和效率都比较高，永磁体的磁导率低，可以减少永磁直流电机的电枢反应，使得换向得到改善，加之其控制简单，永磁直流电机在电力驱动系统，尤其是在电动汽车上得到了广泛的应用。永磁直流电机的等效电路如图２．１所示，其中尺为电枢回路总电阻，三为电枢回路总电感，厶为电枢电流，Ｅ为额定励磁下的感应电动势。尺￡图２．１永磁直流电动机等效电路由图２．１可得永磁直流电机的电压平衡方程：％＝弛＋上等＋Ｅ（２．６）感应电动势为：１３第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究Ｅ＝ｅ刀（２．７）电磁转矩为：ｚ。２‰厶【ｎ·劲忽略粘性摩擦的电机拖动方程为：乙一瓦＝丽ＧＤ２·石ｄｎ（２．９）其中，乏表示包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Ｎ·ｍ；ＧＤ２表示电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为Ｎ·ｍ２；ｅ为直流电机的电动势常数；ｃ肘：竺ｅ表示电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Ⅳ．ｍ／爿。令巧＝妄为电枢回路电磁时间常数，单位为ｓ；瓦＝罴为电力拖动系统机电时间常数，单位为Ｊ。由式（２．６）．（２．９）可得永磁直流电机的数学模型的传递函数为【１７】：生盟：型旦％（ｓ）一Ｅ（ｓ）互Ｓ＋１ｔ（ｓ）＝Ｃ历厶（ｓ）（２．１０）删一瓦（ｓ）＝瓦Ｒ丽以（ｓ）Ｅ（ｓ）＝ｅ刀（ｓ）由式（２．１０）可以得出永磁直流电机的动态结构图，如图２．２所示。图２．２永磁直流电机动态结构图２．２．２永磁直流电机驱动电动汽车的数学模型电动汽车行驶时，车速与电机输出转速的关系为：ｙ：０．３７７．ｍ．（２．１１）ＩＩｋ其中，以为电机转速，单位为ｒ／ｒａｉｎ；，为车轮半径，单位为朋；矿为车速；乞为１４长安大学博士学位论文主传动比；‘为变速器的速比。用式（２．５）替代式（２．９）可得到永磁直流电动机驱动汽车的数学模型如下：Ｕｄ咀＋Ｌ％＋ＥＺ＝巳Ｌｚ一瓦ｌ＝ｃ，ｖ２＋Ｃ２百ｄＶ（２．１２）Ｅ＝ｅ聆Ｖ＝０．３７７＿ｎ＿ｒＩ＿ｋ由Ｔ－汽车车速和电机输出电磁转矩是一非线性微分方程，要用一个传递函数来准确地表示速度和转矩之间的输入输出关系是不可能的，在此用稳态工作点附近微偏线性化的方法得到近似的传递函数。设圪为近似线性机械特性上的一个稳态工作点，即在圪邻域内，汽车能够稳定运行，则：乙一兀＝Ｃ１圪２＋ｃ。ｄ出Ｖｏ·（２．１３）设在圪点附近有微小偏差时，瓦＝乙＋△ｔ，互＝乙＋△瓦，Ｖ＝圪＋ＡＶ，代入式（２．１３）可得：乙心一（乙城）＝ｃ，（ｒｏ圳）２＋ｃ２警产（２．１４）将式（２．１４）展开得：乙＋△ｔ一（死＋△瓦）＝ｃｌ圪２＋２ＣｌＶｏ△ｙ＋Ｃｌ△矿２＋ｃ：半（２．１５）式（２．１５）减式（２．１３）得：△Ｔ，－ＡＴ￡＝２ｃ，ｖｏ△ｙ＋ｃｌ△矿２＋ｃ２百ｄＡＶ（２．１６）忽略两个以上微偏量的乘积，则：△ｔ一△互＝２Ｃｙ。ＡＶ＋Ｃ２百ｄＡＶ（２．１７）对式（２．１７）两边求拉普拉斯变换得：△Ｉ（ｓ）一△瓦（Ｊ）＝２ｑＶｏＡＶ（ｓ）＋ｃ，ｓｔＩｖ（ｓ）（２．１８）由式（２．１８）Ｎ失ｎ车速和转矩的传递函数为：第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究面而ＡＶ（ｓ）一＝一＝一２丽１２忑２Ｃ，Ｖｏｌ１＋旦ｓ（２·１９）●Ｚ—１７－△乙（Ｊ）一△瓦（Ｊ）２Ｃｌ圪＋Ｃ２ｓ２Ｃｌ屹根据式（２．１２）和式（２．１９）可得永磁直流电动机驱动电动汽车的微偏线性化近似动态结构图如图２．３所示。图２．３永磁直流电动机驱动电动汽车的微偏线性化近似动态结构图永磁直流电动机驱动电动汽车的微偏线性化近似动态结构方程只适用于电动汽车稳定运行的场合，而对于启动加速等车速变化较快的情况并不适用，因此需要研究一种适用于电动汽车各种运行状态的通用数学模型【ｌ引。分析式（２．５）可知，负载转矩乃．主要由摩擦阻力和爬坡阻力产生。风阻产生的负载转矩Ｃｌｙ２由于与车速有关，不能简单的纳入负载转矩，从而导致电机驱动汽车与在工业企业应用电机拖动生产机械的拖动方程有所不同。考虑到通用永磁直流电机拖动方程的普适性，同时兼顾电机拖动汽车的特殊性，决定主要参数和环节仍用通用电机数学模型，并辅之相应的非线性环节来构建电机拖动汽车的动态结构图。永磁直流电机驱动电动汽车的动态结构图如图２．４所示。乃。是由摩擦阻力和爬坡阻力产生的负载转矩，瓦是由风阻产生的等效负载转矩，瓦＝ｃｙ２，厂（·）表示非线性环节，五Ｏ）＝瓦。（ｓ）＋Ｌ（５）为等效负载转矩。图２．４永磁直流电机驱动电动汽车动态结构图１６长安大学博士学位论文比较式（２．５）和式（２．９），令瓦＝瓦。＋ｃｌｙ２，则有ｉＧＤ可２·面ｄｎ；Ｇ·百ｄＶ，可祷：壁一＝＝一：而０．３７ｒ２８ｍ０３７５（２．２０）ＩＺ．ＺＩ，●７．名。乞２该式表明导譬与，．、万、％、珊、‘和ｉ口等汽车结构参数有关，它是一个常量，可通过电动汽车的结构参数进行计算。２．３二象限ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型２．３．１二象限ＤＣ／ＤＣ变换器工作原理分析直流电机驱动电路有多种形式，目前在电动汽车中应用最广的还是二象限ＤＣ／ＤＣ功率变换器。其主电路如图２．５所示。．％≯Ｉ／①一乏、ｈ：Ｌ厶Ｉ＼…一．≥写毛～一一、＼ｌｎ足Ｌｊ：ｉＪＩ‘Ｃ／●ＩＩ！＠：Ｍ‘一ｌｌ隅嘎，Ｉ●ｌ刀１／汆Ｉ；１２小一＝Ｉ，、一一’、ｒ，Ｉ％Ｉ１ｒｒＩＪ＼／图２．５电动汽车驱动电机二象限ＤＣ／ＤＣ变换器主电路图其中，Ｕ。和玑：为脉宽可调的脉冲电压，啊和喝为ＩＧＢＴ大功率管，其开关频率可达１０ｋＨｚ，陶和哆为续流二极管。电路采用蓄电池供电，％为蓄电池的端电压，毛为蓄电池的理想电动势，Ｒ为蓄电池的等效内阻。Ｃ为外接大电容起滤波稳压作用。图２．５所示电路有三种工作状态：电动运行状态、轻载电动状态和制动运行状态。无论处于何种工作状态，功率开关器件啊和喝的驱动电压都是大小相等、极性相反，即％２＝一％，ａ下面对这三种状态的工作原理分别做一说明。１．电动运行状态在一个开关周期内，当０ｓ，＜０时，配．为正，此时啊饱和导通，％截止，电枢电流‘的流向如图２．５中的回路①所示。当，册ｓ，＜Ｔ时，“．为负，此时啊１７第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究截止；％：为正，由于‘沿回路②经二极管吼续流，使得％处于反向偏置状态不能导通。图２．６（ａ）ｑ６给出了稳态时电枢平均电压％和电枢电流‘的波形，由图可知，稳态电流‘是脉动的，其平均值等于负载电流ｋ＝死／ｃ．；电动机得到的平均端电压为：％＝等·％＝Ｄ·％（２．２１）其中，。＝等＝瓷表示ＰｗＭ电压的占空比，改变。的大小（。≤。引）即可调节电机的转速。Ｉ０可ＶＤ２同哆一ＵＬｉＵ，ｉｄ玩００ｏｒｆ（ａ）电动状态的电压、电流波形Ｃｏ）轻载电动状态下电流波形图２．６电动状态的电压、电流波形当啊导通时，电流屯沿回路①流动，回路电压平衡方程为：％瑚‘“等“（畎『＜乙）（２．２２）当啊关断时，电流毛沿回路②流动，回路电压平衡方程为：０－尺乙“警“（。ｇ订）（２．２３）其中，Ｒ、三为电枢电路的电阻和电感，￡为电机的反电动势。２．轻载电动状态轻载电动状态的电流波形如图２．６（ｂ）所示，由于平均电流较小，以至于在啊关断后，屯经峨续流时在ｆ＝ｆｌ时刻就衰减到零。在ｆｌ≤ｆ＜ｒ期间－％满足导１８长安大学博士学位论文通条件，电流屯反向，产生局部时间的能耗制动。在Ｔ≤ｔ＜如期间，％关断，但由于电流不能突变，屯通过喝续流，进而向蓄电池充电，在陶两端产生的压降使得啊失去导通的可能。ｔ２≤，＜丁＋ｏ期间，啊导通，蓄电池向电机供电，‘上升。由此可见，轻载运行时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分为四个阶段。３．制动运行状态当电机电动运行要降低转速时，就应该先减小控制电压，使以。的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电压％降低，但由于惯性的作用，转速和反电动势还来不及立刻变化，就出现了Ｅ＞％的情况。在这种情况下，当ｔｏ．≤ｆ＜Ｔ时，由于％：为正，嘎导通，Ｅ一虬产生的反向电流一乙沿回路③经％流通，通过能耗的方式进行制动，直Ｎｔ＝Ｔ为止。在Ｔ≤，＜丁＋ｏ（即０ｓｆ＜０）阶段，％截止，一毛沿回路④通过嘲续流，通过再生制动给蓄电池充电，同时在喝上产生的压降使啊不能导通。在整个制动过程中，％和ｖＤ，轮流导通，而啊始终截止。制动运行状态的电压和电流波形如图２．７所示。图２．７制动状态的电压、电流波形由图２．７可以看出：反向电流的制动作用使电机的转速下降，直到达到新的稳态。需要指出的是，回馈制动实际上是向蓄电池充电的过程，其回馈能量必将受到蓄电池特性的制约。４．电动运行时电流脉动量的计算由图２．７可以看出，电动运行时电流实际上是周期性脉动变化的，脉动量的１９第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究大小会影响系统的稳定运行。分析时作如下假定：（１）认为电力晶体管是无惯性环节，也就是忽略它的开通时间和关断时间。（２）忽略ＰＷＭ变换器内阻的变化，并且认为在不同开关状态下电枢回路电阻是常值。（３）由于脉冲开关频率足够高，因而开关周期丁远小于系统的机电时间常数乙，在分析电流的周期性变化时可以认为电机转速，ｌ和反电动势Ｅ都不变。埘Ｉｄｒａｉｎ０‰ＴＴ七ｔ。ｔ图２．８电机电动运行状态下一个开关周期内的电流波形图图２．８为电机在电动状态下一个开关周期内的电流波形图，其中第一阶段（０≤ｒ＜ｒ埘）啊导通时电流为‘，第二阶段（ｏｓｆ＜ｒ）啊关断时电流为屯：，考虑到ＰＷＭ开关频率较高，可忽略一个周期内电阻压降Ｒ乙的变化，因此可用鸥替代Ｒ‘。其中Ｌ为平均电流，电动状态电压的平衡方程式（２．２２）和式（２．２３）可改写为：：竺＆二竺生＝！！二２２竺±三￡（０≤ｔ＜ｔｏｎ）（２．２４）盟出盟出：坐：一旦丝三三（ｔ。打≤，＜丁）其中，阜和竽譬可近似为常数，相当于图２．８中用虚线画出的直线段代替电流ｄｔｄｔ的实际曲线（指数曲线），对式（２．２４）求解可得电枢电流的脉动量为：纰＝‘一一‘椭＝—Ｄ（Ｉ丁－Ｄ）ＵｂＴ（２．２５）式（２．２５）表明，电流脉动量的大小是随着占空比Ｄ值而变化的。若令翌象产＝ｏ，可得。＝。．５。也就是当。＝。．５时，电流脉动量达到其最大值。将Ｄ＝０．５代入式（２．２５）可以求出最大的电流脉动量为：～△ｚ’ｄｕ－－ｍ等＝卫４ｆｅｗ。４（２．２６）Ｌ长安大学博士学位论文式（２．２６）表明，电枢电流的最大脉动量与电源电压％成ｉＥＬＰ，，与电枢电感三和开关频率办删＝；成反比。２．３．２二象限ＤＣ／ＤＣ变换器的数学模型图２．９为ＰＷＭ控制器和变换器的原理图，输入信号虬经过ＰＷＭ触发线路输出触发脉冲电压Ｕ来控制ＰｗＭ变换器中ＩＧＢＴ的通断，从而控制输出电压％的大小。Ｍ加篇嘶一Ｊ㈣ｑ≤亩（２２８）砟加）＝击（２．２９）其中，ＰＷＭ装置的放大系数为Ｋ＝鸶＝＝虬Ｕｍｂ默，址帐为控制电压以的最大卜＂三，爷邮…Ｊ。’【ｏ＝Ｒ‘＋三鲁＋Ｅ亿３。，（，口一≤ｒ＜丁）２ｌ一个周期内夕笔竺竺一示，榔卿均＝＝≤嗍孵，电磁转矩ｔ＝Ｃ啊Ｊｄ，反电势Ｅ二ｃ。拧，电枢回路电感鹋炳吧鹏。班由此ｌ可得方程＿：＼ｕｄ＝等：６＝。ｕａ＼ｕａ＝ＲＩｄ＋Ｅ。．３１，”“叫、Ｅ＝Ｃ，ｎｎｒ·卜７麓珊郦删孵蹦ｌ飞～，．占七拉攘夷达Ｒｉｄ＝．…ｉ．Ｙｅ－＝－’㈠。由式【２．３１）可推导出ＤＵ６式９３∞矿；晋删。一学山示恕式口１Ｊ∞甩一，表肛看出』ｋＩ。速由式Ｑ，）虱坚盼。一渺膨批：唧一ｗ㈣一瞅器需表甥紫孵一刚掰隧渺一Ｌ’一￡嘲２圉．１０脉宽谓愿承玑¨’脉宽诵速系统的车速特性长安大学博士学位论文２．５电动汽车驱动系统要求及相关参数电动汽车驱动形式种类繁多，从应用研究目的出发，选用适合于城市公交中巴的客车改装是一种较为便捷的方式，将驱动由发动机改为电动机即可，机械传动部分保持不变。电动汽车对驱动系统的特性要求取决于驾驶员对电动汽车的驾驶性能、车辆的性能以及车载能源系统的性能。为了便于以后的理论分析和计算，在这一节重点介绍电动汽车对驱动系统的要求和所选主要部件的数据。２．５．１电动汽车对驱动系统的要求为保证电动汽车具有和燃油汽车类似的性能，其驱动系统必须满足如下的要求【１９１：（１）为保证加速性能，要求电机低速运行时输出较大的转矩。通常要求电机有２＂－－４倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求。（２）为适应城市道路工况，要求驱动电机能够频繁地起动／停车、加速／减速，转矩控制的动态特性要好。（３）为减轻车辆自重，提高续驶里程，能量源应具有高的比功率和比能量。（４）驱动系统应具有较高的可靠性，电磁兼容性好，易于维护。此外，电动汽车还要求驱动系统能够在较恶劣的环境下长期工作，主要部件结构简单，适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。２．５．２主要部件的参数本文所采用的试验电动车是由陕西骊山客车厂生产的ＬＳ６６００Ｃ１中型客车改装而成。ＬＳ６６００Ｃ１中型客车的主要参数如表２．１所示。驱动电机选用包头长安永磁电机研发有限公司生产的ＺＹＣＤ．４５型永磁直流电动机，其主要参数如表２．２所示。蓄电池选用河北保定风帆公司生产的５５Ｄ２３Ｌ铅酸蓄电池，其主要参数如表２．３所示。根据电机额定电压和蓄电池额定电压，经计算选用１８个铅酸蓄电池串联给电机供电。因此，蓄电池组额定工作电压为１８ｘ１２＝２１６Ｖ。表２．１试验车辆ＥＶ＿ＣＩ－１Ｉ）－Ｉ型车辆参数中文名称符号单位参数值主传动比ｊ。Ａ６．１７变速器速比５．５６８（１档）、２．８３２（２档）、１．６３４（３档）、ｉ－１．０００（４档）、０．８１４（５档）轮胎半径，．ｍ０．３６３第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究表２．１风阻滚动阻力系数ＣＤＡ（续）３．４８０．０１３１．０５Ｏ．９０ｍ２ｌ艿旋转质量换算系数机械效率底盘质量允许最大质量设计最高车速改装后整车质量底盘型号ｒ／ｒｆｆ／ｄｋｇ２５８０４７００９０３８７５ＣＡｌ０４０Ｐ５０Ｄ１４‰默ｙ’ｍａｘ埏ｋｍ／ｈｋｇｍｏ表２．２包头永安ＺＹＣＤ．４５电机参数中文名称额定电压额定电流额定转速额定功率额定转矩最大功率最高电压最高转速最大转矩电枢电阻电枢电感电机质量电机效率绝缘电阻耐压符号单位Ｖ参数值２１０１９０３０００４０１２４６０２８８４０００３０００．０２６５Ｏ．１９１４５９３≥２００１５００玑。，‘．＇／ＯｒｅＡｒｐｍ％。‘ｎｏｒａＰｋＷＮ．ｍ丁‘打。所‘ｍａＸＰｋＷＶＩ｛一ｎｌ双‰戤Ｚ‘ｍ氟ｒｐｍＮ·ｍ疋三ＱｍＨ‰ｒ／ｕｋｇ％ＭＱＶ工作制换向火花外形尺寸Ｓｌ＜５／４ｍｍ西２９４×５８０２４长安大学博士学位论文表２．３风帆５５Ｄ２３Ｌ铅酸蓄电池主要参数中文名称符号单位参数值单体质量ｍｂｋｇ１２．５单体容量毛Ａｈ６０额定电压ＵｂｎⅫＶ１２比能量Ｅｂｎ。Ｗｈ／ｋｇ５７．６冷启动电流ＩｂＡ３００外型尺寸ｍｍ２３２×１７ｌｘ２０４２．６电动汽车驱动控制系统研究电动汽车在行驶过程中，驾驶员通过操纵加速踏板、制动踏板、离合器和档位开关来控制电动汽车的车速。在驱动过程中，无论是起步加速、稳态运行，还是减速过程，驾驶员都是不踩制动踏板的。在不考虑换档的情况下，加速踏板的信号就代表驾驶员的指令。此外，驾驶员通过观察实际车速，改变加速踏板的位置，以达到满意的车速。因此，电动汽车的车速控制实际上是通过驾驶员实现广义的车速闭环控制来实现的【２０·２¨。按加速踏板所代表的给定指令不同，控制系统可以分为：开环控制系统、电流闭环控制系统和车速．电流双闭环控制系统。２．６．１车速开环控制系统电动汽车开环控制系统就是用加速踏板或者制动踏板对汽车车速直接进行控制，其系统构成如图２．１ｌ所示。图２．１ｌ开环控制系统构成图给定积分器的作用是避免突加给定时，导致电机电枢回路电流过大而增加的环节，稳态时其系数为１ｏ开环系统的稳态结构如图２．１２ｆ）ｉ：示，其中，Ｍ：—０．３＿＿７７一ｒ。ｋｂ图２．１２开环控制系统稳态结构图一……“第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究根据图２．１２可以得出在开环控制下纯电动汽车车速的表达式：Ｖ：—ＮｖＣｅｕ—Ｗ＂…ｇｖＣ｜ＣｍＲｒ￡，—ＮｖＲＣＳｍ—Ｃ，Ｖ２（２．３４）电动汽车开环控制系统的主要特点如下：（１）线路简单，成本低；（２）当蓄电池电压等参数变化时，无调节作用，抗干扰能力差ｏ（３）是其它控制系统调试的基础；（４）由于给定积分器的作用，其起步加速和动力性能指标不高。２．６．２电流单闭环车速控制系统电动汽车电流单闭环控制系统就是用加速踏板的信号代表电机电枢电流，实际上就是代表电机输出电磁转矩的给定值，其系统构成图如图２．１３所示。图２．１３电流单团环控制系统图中ＴＡ为霍尔电流传感器，作用是将电枢电流厶转换成线性变化的弱电信号。反馈信号∽＝∥厶，电流反馈系数∥定义如下：∥＝誓＝是亿３５，其中，吒是加速踏板输出的最大值，，肼是直流电机的额定电流，五为电机电流过载系数。为实现电流给定的无差控制，电流调节器ＡＣＲ选用非饱和Ⅳ调节器，其稳态结构如图２．１４所示。长安大学博士学位论文图２．１４电动汽车电流单闭环稳态结构框图当电流闭环系统在稳态工作中时，各变量的关系如下：Ｕ：＝Ｕｉ＝｜ＢＩｄ¨丝＝竺垄：丝Ｃ。ｖ＋刍ＴＬＲ（２．３６）ＫｓＫｓＫｌ由式（２．３６）可以看出，车速矿和矿并无直接函数关系，对电动汽车车速的控制需要通过驾驶员根据实际情况间接实现。电流单闭环车速控制系统动态结构图如图２．１５所示。图２．１５电流单闭环控制系统动态结构框图电流单闭环车速控制系统的主要特点如下：．（１）加速踏板信号为电机电枢电流给定，实质上代表电机输出电磁转矩，驾驶员操纵电动汽车和普通燃油汽车的感觉相同；（２）蓄电池电压在整个驾驶过程中是逐渐降低的，由于其影响在电流环内，系统具有自调节能力；（３）车速Ｖ是通过驾驶员踩加速踏板控制电枢电流来间接实现的，因此车速控制实际上是驾驶员和控制系统一起构成的广义车速控制系统；（４）为使加速时间最短，要求驾驶员起动时应将踏板一直踩踏到底，直到２７第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究达到期望的车速。２．６．３车速．电流双闭环控制系统加速踏板信号代表驾驶员期望车速给定的控制系统称为车速控制系统。如安装车速传感器检测车速，并将其与期望车速相比较构成反控制的称之为车速单闭环控制系统。根据乙一无。＝Ｃ．Ｖ２＋Ｇ警可知，要使车速上升最快，就必须在升速过程中使ｔ＝ｋ，也就是要求在升速过程中保持厶＝ｋ。根据反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以使其保持基本不变，因此采用电流负反馈就可以使电流保持在给定值不变。采用车速和电流两个调节器控制的系统称之为车速．电流双闭环控制系统。１．车速．电流双闭环系统的构成为实现车速和电流两种负反馈分别作用，在系统中设置了两个调节器：ＡＳＲ和ＡＣＲ。ＡＳＲ是车速调节器，ＡＣＲ是电流调节器，二者之间实行串级联接，如图２．１６所示。也就是说，把车速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制ＰＷＭ变换器的触发线路。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；车速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了车速．电流双闭环控制系统。图２．１６车速．电流双闭环控制系统为了获得良好的静、动态性能，车速和电流两个调节器一般都采用带限幅作用的ＰＩ调节器，车速调节器ＡＳＲ的输出限幅电压％’决定了电流调节器给定电压的最大值（也就是踏板信号的最大值），电流调节器ＡＣＲ的输出限幅叱了ＰＷＭ变换器件的最大输出电压。２．稳态结构图双闭环控制系统的稳态结构如图２．１７所示。长安大学博士学位论文图２．１７车速电流双闭环稳态结构框图在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，当车速调节器不饱和时，由图２．１７可知，双闭环调速系统在稳态工作中，两个调节器都处于不饱和状态，各变量的关系如下：Ｕ；＝Ｕｙ＝ａＶ研＝Ｕ＝儿（２．３７）玑：丝：Ｃ．ｎ＋叠ＴＬＲ：垡ｃ，匕ｖ＋Ｉ也ＲＫｓＫｓＫ｜式（２．３７）表明，在稳态－ｒ作点时，车速矿是由给定的踏板ＥｇＥ，信号乩’决定的，车速调节器ＡＳＲ的输出量ｑ’是由负载电流屯决定的，而控制信号虬的大小是由车速ｙ和负载电流厶同时决定的，或者说是由％‘和负载电流厶。同时决定的。∥为电流反馈系数，定义如下：∥＝譬＝是亿３８，口为车速反馈系数，定义如下：口＝争（２．３９）其中，％是加速踏板输出的最大值，吒为电流调节器给定电压的最大值，既和吒是由设计者选定的，其大小受运算放大器允许输入电压和稳压电源的，第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究厶。是直流电机的额定电流，名为电机电流过载系数。３．动态性能车速·电流双闭环控制系统的动态结构图如图２．１８所示。图中≯‰（ｓ）和呢ｃＲ（◇分别表示车速调节器和电流调节器的传递函数。～般来说，双闭环控制系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统来说，最重要的动态性能就是抗干扰性能。其抗干扰性能主要有抗负载扰动和抗蓄电池电压扰动。图２．１８车速．电流双闭环系统的动态结构框图（１）抗负载扰动由图２．１８可知，负载扰动作用在电流环之后，所以只能设计具有良好的性能指标的车速调节器ＡＳＲ来产生抗负载扰动作用。（２）抗蓄电池电压扰动如图２．１９所示，由于有电流内环调节，电压波动可以通过电流反馈得到较及时的调节，而不必等到它影响到车速以后才能反馈回来，因此系统抗干扰性能比较好。在双闭环系统中，由蓄电池电压波动引起的车速动态变化会比单闭环系统的小很多。图２．１９车速电流双闭环系统的动态扰动作用４．实例计算与仿真长安大学博士学位论文实验样车控制器的结构和参数选择取决于主要部件的数据。为保证控制系统的可靠性，本节依据电动车主要部件的参数，对控制系统的参数进行计算，并按工程设计方法初步确定控制器的结构和参数，在此基础上，运用Ｍａｔｌａｂ对控制系统进行仿真。（１）系统参数计算根据２．５节所给出的参数可计算得到仿真的相关数据：直流电机的电动势常数ｅ－－０．０６８Ｖ·ｍｉｎ／ｒ；电动机额定励磁下的转矩电流比巴＝０．６５３Ｎ·ｒｒｇＡ；电枢回路电磁时间常数Ｚ＝７．１７ｘ１０．３ｓ；整车质量ｍａ＝３８７５ｋｇ；电力拖动系统机电时间常数乙＝４．０１８ｓ；负载电流的最大值为‘＝争＝４５９．４２Ａ，过载系数乙ｍ五＝芒＝２．４２，则电流反馈系数为∥＝譬＝岩兰＝石矗＝０．ｏ１０９；车速的最大值．ｆＭ』如＾』Ｍ‘｜Ｊ７‘％为９０ｋｍ／ｈ，加速踏板信号的最大值为以＝５Ｖ，则车速反馈系数为口＝訾＝等＝ｏ．２；取开关管频率为石聊＝５ｍｚ，则ＰｗＭ装置的延迟时间五＝０．０００２ｓ；ＰＷＭ装置的控制电压阢的取值范围为肚ｌＶ，所以ＰＷＭ装置的放大系数Ｋ＝鲁噍＝２１６。ＵｃＴＩ戳（２）按工程设计方法确定控制器参数【‘７ｌ采用典型Ｉ型的工程设计方法，可得电流调节器ＡＣＲ的传递函数为：呢水）＝鸶产＝号掣（２．４０）其中，Ｋ表示电流调节器的比例系数，‘表示电流调节器的超前时间常数，为了使调节器的零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择瓦＝Ｚ。采用典型ＩＩ型工程设计方法，可得转速调节器ＡＳＲ传递函数为：‰∽＝篝产＝盟掣（２．４１）其中，Ｋ，为ＡＳＲ的比例系数，ｆ，为ＡＳＲ的超前时间常数。（３）仿真及结果分析在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对车速．电流双闭环系统进行仿真，其仿真框图如３ｌ第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究图２．２０所示。图２．２０双闭环系统仿真框图在本系统中，车速调节器ＡＳＲ的限幅值取５Ｖ，电流调节器的限幅值取ｌＶ，若取给定加速踏板信号以为３Ｖ，则三档位下应得到期望车速应为５４ｋｍ／ｈ（］５ｍ／ｓ），在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下仿真结果如图２．２１所示，图中分别给出了加速踏板给定信号以、ＰＷＭ装置的控制电压址、电机电枢电流Ｌ及车速矿随时间变化的曲线。时栅／ｏｔ·，加五■扳譬毫■号，＿，＿，，．＿＿＿时间／ｓｔ■）控管电压奠时■变亿■缱●骞善‘ｃ，电誓电潮时一变化●缝时闻／ｓ时俩／，‘‘）事五■时■变亿■簟图２．２ｌ加速踏板信号为２Ｖ时的仿真结果分析图２．２ｌ仿真结果可知，汽车起步加速过程可分为如下三个阶段：３２长安大学博士学位论文（１）电流上升阶段。突加给定以后，通过两个调节器的作用，使饥、虬、和厶都上升，当Ｌ＞争后，电机开始转动。由于机电惯性的作用，车速增长不会很快，导致△ｕ＝以一以很大，ＡＳＲ迅速进入饱和，其输出研＝吒＝５Ｖ，强迫电流Ｌ迅速上升到ｋ。在此阶段ＡＳＲ很快进入并保持饱和状态，ＡＣＲ不饱和，电流上升时间极短。（２）恒流升速阶段。在此阶段ＡＳＲ饱和，ＡＣＲ不饱和，电枢电流保持恒值不变，大小略小于电枢电流的最大值匕，保证电流调节器ＡＣＲ的输入偏差也维持一定的恒值，直至车速矿＝业为止。（３）转速调节阶段。当车速Ｖ达到给定值后，车速调节器的输入偏差为零，但其输出由于积分作用还维持吒，电机在最大电流下加速，必然使得车速超调。车速超调后，ＡＳＲ输入偏差变负使得ＡＳＲ退饱和，Ｆ和Ｌ迅速下降，直到厶＝厶时，由于车速受风阻影响车速超调量很小。在转速调节阶段，ＡＳＲ和ＡＣＲ均不饱和，同时起调节作用，ＡＳＲ在外环起主导的车速调节作用，ＡＣＲ在内环使得厶尽快的跟随其给定值矿。为进一步分析车速．电流双闭环系统的特征，研究系统在加速、稳速和减速的性能，设加速踏板给定信号以如图２．２２（ａ）所示变化，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下仿真结果如图２．２２所示。从图２．２２（ａ）可以看出，给定信号以模拟了加速踏板信号的各种变化情况：给定信号为０、突加给定、缓慢加速、稳速、突减给定和缓慢减速。图２．２２（ｂ）所示为控制电压玑的变化情况，当突加或突减给定时，其变化较快；稳速时，其保持为某一恒定值：给定信号缓慢增加或者减小时，其变化较慢。图２．２２（ｃ）所示为电枢电流的变化情况。突加给定时，厶必有一段时间使得厶＝厶，使得车速迅速上升，稳速时，Ｌ＝等；缓慢加速时，孚＜厶＜ｋ，、７脚、７册第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究／Ｉ＼＼／１０∞舳∞∞时俩，，１００１团１加１∞１锄Ｃ．，柚曙膏ｔＩ膏定■号：／——弋：：、Ｌ广’一，，Ｉ一＿』！、、．时问ＩｓＣｂ）控翻电压曩时一变化■箍ＩＩ／蜒御叫孕。卜。。＿、ｌ、．广、１’—ｏｔｃ）蝇电锢■竹■变化■缄时阚Ｉｓ‘■，车翻时■，！化■翁图２．２２加速踏板信号改变时的仿真结果时帅／ｓＡＳＲ处于非饱和状态起调节作用；突减给定时，△ｕ＝以一％＜０，Ｉ△ｕｌ彳艮大，使得ＡＳＲ饱和，这时电流调节器的输入信号为矿＝０，电机电枢电流Ｌ＝ｏ，车个速迅速下降至给定值。缓慢减速时，ＡＳＲ不饱和，０＜Ｌ＜争，使车速跟踪给乙ｍ定信号阢变化。由图可以看到整个调速过程中电机电枢电流Ｌ≥０，因此不可能出现能量回馈到蓄电池的状态。比较图２．２２（ａ）和图２．２２（ｄ）可以看出使用车速．电流双闭环控制系统，实际车速能够较好的跟踪加速踏板给定信号的变化。由上述分析可以得到车速．电流双闭环控制策略的特点如下：（１）加速踏板位置直接代表驾驶员期望车速，直观便于理解。（２）采用饱和非线性控制，实现准时间最优控制，使得起动加速性能最优。长安大学博士学位论文（３）本控制系统特别适合于理论研究分析。（４）在行驶过程中，由于车辆运行的振动等因素会导致踏板产生微小的位移，这种微小位移导致车辆在不停地以最大加速或减速进行驱动，其乘坐舒适性会降低，因此车速．电流双闭环控制策略特别适合于道路情况良好的巡航控制。（５）车速调节器ＡＳＲ的参数随变速器的速比ｊ，变化，控制器的设计比较复杂。２．７电动汽车再生制动控制策略及仿真研究电动汽车与传统内燃机汽车的重要区别就在于电动汽车可以实现再生制动，再生制动可提高能源的利用效率，延长续驶里程，对提高电动汽车的经济性能具有重大意义。电动汽车再生制动，就是在减速制动时，利用电机的电气制动产生反向力矩，从而在车辆减速或停车的同时将部分机械能转化为电能回馈给蓄电池，实现再生制动能量回收【２１．２４】。２．７．１电动汽车再生制动的数学模型对于二象限ＤＣ／ＤＣ变换器而言，其再生制动过程中一个ＰＷＭ周期内的连续电流波形如图２．２３所示。Ｉ喝％ｒＤ，％一ｆ弘０ｌｄｍｉｎｌ‘，ｍ－ｘ考虑到ＰＷＭ开关频率较高，可忽略一个周期内电阻压降Ｒ屯的变化，因此可用弛替代尺‘，其中Ｌ为平均电流，制动状态下电压的平衡方程式为：卜噜似－Ｉ－（ｎＴ＜ｔ＜ｎＴ＋ｔｏ．）旧＋哮姐＝％㈣（汀＋。鲥＜（¨妒）第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究｛０【ｄｔｆ拿：．－ＲＩｄ－Ｅ。，，－。，ｌ盟：坠型Ｐ（刀ｒ≤ｆ＜疗ｒ＋ｕ”。（２．４３）Ｌ（刀丁‰≤ｆ＜（川）丁）”华ＤＴ＝半（１一Ｄ）Ｔ（２．㈣．厶＝半㈤厶＝（１一Ｄ）Ｉｄ＝垒二』型苎半（２．４６）忍＝％厶＝型攀≯坐％㈤㈣％＝老＿（１－Ｄ）警长安大学博士学位论文流充电对蓄电池的损耗，本节针对不同的应用情况，重点讨论在蓄电池最大允许充电电流范围内的再生制动能量回收控制策略。电动汽车制动通常可以分为长下坡时的刹车、中轻度刹车和急刹车三种模式，不同情况应采用不同的控制策略。１．长下坡制动控制策略研究电动汽车在盘山公路或城市公路下坡行驶时，坡度阻力只变为驱动力。对于在长下坡路段行驶的电动汽车，仍采用车速．电流双闭环控制策略来进行研究。下坡时，保持加速踏板给定值为恒值，在下坡驱动力作用下，汽车开始加速，当车速高于加速踏板设定的车速时，驱动电机处于发电运行状态，此时电机电枢电流为负值，再生制动所产生能量经功率变换器存储到蓄电池中。坡度越大，回馈的能量越多。当坡度过大时，回馈电流将大于蓄电池最大允许充电电流，这种情况下必须对充电电流进行。为此，需研究坡度角和蓄电池最大允许充电电流之间的关系。根据式（２．４）和式（２．８）可得在车速一定的情况下，电动汽车下坡时电机电枢电流与道路坡度角之间的关系：ＬＬ＝———————————————兰上且，＿———二坚型Ｌ：—（－ｍ—ｏｇ—Ｓｉｎ—ｏｔ—＋—ｆｍ—ｏｇ—ｃ。ｓ—ａ—＋Ｃ型。Ａ』ＶＩ＿２＋（２．４９）（２．）‘ｉＤ珊ｑ—６ｔｏ—ｏ业ｄＶ）ｒ设蓄电池最大允许充电电流为ＩＯＯＡ，利用式（２．４９）可列出车速在５４ｋｍ／ｈ和３６ｋｍ／ｈ时电机电枢电流和道路坡度角之间的关系，分别如表２．４和表２．５所示：表２．４Ｖ＝５４ｋｍ／ｈ时的坡度角与再生制动电流的关系坡度角ｏ）００．２５７８０．７７３５１．０３１３１．２８９２１．５４７０电机电枢电流（Ａ）１０７．７３７３．０４３．６５４８．３１．０３８．６５．７３．１００．４２表２．５Ｖ＝３６ｋｍ／ｈ时的坡度角与再生制动电流的关系坡度角（ｏ）００．２５２ｌ０．５０４２０．７５６３Ｉ．２６０５１．５１２６电机电枢电流（Ａ）１０３．５６６９．６４３５．７１５１．７９２６．６６．０５１－９９．９７ｌ从表２．４和表２．５可以看出，在保证车速恒定时，坡度角越大，所需电枢电流越小：当坡度角大于某一数值时，电枢电流小于零，电机从电动运行状态过渡为再生制动状态，向蓄电池充电。但当回馈电流大于蓄电池能够接受的最大充电电流时，车速．电流双闭环控制策略不能满足制动要求，需要采用再生制动和机３７第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究械制动相结合的制动方式来保证蓄电池的安全充电及行车安全。２．中轻度刹车制动策略研究电动汽车制动时制动力矩的分配关系如图２．２４所示［４１，其制动力矩由下式表不：％＝乃＋％（２．５０）其中，瓦为电动汽车所需总制动力矩，易为驱动轮上所提供的制动力矩，％为非驱动轮上提供的制动力矩。墩Ｒ嚣｛，螗制动踏板力矩图２．２４电动汽车制动时再生制动力矩与机械制动力矩的分配关系由于非驱动轮上的制动力矩不能实现再生制动，采用机械制动；驱动轮上的制动力矩由机械制动力矩和再生制动力矩组成，再生制动力矩利用驱动电机发电给蓄电池充电，当再生制动力矩不能满足制动要求时，剩余所需制动力矩由机械制动弥补。因此，电动汽车的制动力矩可表示为：％＝‰＋‰＋瓦脚（２．５１）其中，‰为驱动轮上提供的机械制动力矩，‰为驱动轮上提供的再生制动力矩，瓦伽为非驱动轮上提供的机械制动力矩。电动汽车正常减速通常为中轻度刹车制动过程，当所需制动力小于蓄电池允许最大充电电流等效的制动力时，机械能通过ＰＷＭ变换器给蓄电池充电：反之，按最大允许充电电流向蓄电池充电，多余部分能量由机械制动消耗。为简化研究，３Ｒ长安大学博士学位论文不考虑再生制动与机械制动的制动力分配问题，只对电动汽车在中轻度刹车时的再生制动控制策略进行研究。中轻度刹车模式下，采用电流单闭环控制系统来直接控制再生制动力矩，其系统动态结构图如图２．２５所示。其中给定信号以代表制动踏板的输出信号，其取值范围为¨５Ｖ。图２．２５再生制动电流单闭环控制系统动态结构框图３．急刹车时的控制策略驾驶员在遇到紧急情况时需要迅速踩下制动踏板进行刹车制动，考虑到行车安全性，应使用机械制动使其迅速停车。其控制系统动态结构如图２．２５所示，只不过是当控制系统检测到急刹车信号时，立即使以＝一５Ｖ，使系统按最大允许充电电流给蓄电池恒流充电，直至刹车结束。因此，急刹车制动可作为中轻度刹车制动的特例进行研究。２．７．３电动汽车再生制动仿真及分析１．长下坡时的再生制动仿真结果及分析在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对长下坡时电动汽车的再生制动过程进行仿真建模，其结构如图２．２６所示，为保证电能回馈，且不超过蓄电池最大允许充电电流１００Ａ，将图中矿的负限幅值从零改为一÷垩：一ｏ．２１。３９第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究图２．２６长下坡再生制动仿真图仿真结果如图２．２７所示，图中给出了汽车长下坡时加速踏板给定信号以、电机电枢电流厶、再生制动功率只和车速Ｖ随时间变化的曲线。蟪一簟■置Ｖ謇图２．２７长下坡时再生制动仿真结果从图２．２７可以看出，加速踏板给定信号为１．６Ｖ保持不变，电动汽车在第１５ｓ４０长安大学博士学位论文进入长下坡行驶状态，在第５０ｓ驶出下坡路段，进入正常行驶状态。从图２．２７（ｂ）可以看出，在正常行驶时克服滚动阻力所需电机电枢电流为１００Ａ，在第１５秒进入再生制动运行状态后电机发电运行，电枢电流反向变为．４０Ａ，给蓄电池充电；在第５０秒，电动汽车驶出长下坡路段，电机电枢电流又恢复为正常行驶状态的驱动电流（１００Ａ）。图２．２７（ｅ）给出了电动汽车运行时的再生制动功率曲线，从中可以看出，当在驱动状态下行驶时，电机从能量单元吸收能量，再生制动功率为０，当进入长下坡路段再生制动时，再生制动功率为．６．５ｋＷ；当在第５０ｓ驶出长下坡路段后，电机又运行在电动状态，再生制动功率变为０。从图２．２７（ｄ）可以看出，当电动汽车在进入下坡行驶状态时，由于加速踏板给定信号保持不变，坡度阻力变为下坡动力，使车速有微小的上升（２８ｋｍ／ｈ．３０ｋｉｎ／ｈ），当车速高于加速踏板设定车速时，驱动电机处于发电运行状态，这时电动汽车的机械能转变成电能存储在蓄电池中，并使车速逐渐减小到设定状态（２Ｓｋｉｎ／ｈ）：在第５０秒，电动汽车进入正常行驶状态，车速稳定在２８ｋｍ／ｈ稳定运行。仿真结果表明，当长下坡坡度角较小时，完全可以使用再生制动将下坡时的动能转换为电能给蓄电池充电。图２．２７中所选坡度角口较小，其充电电流为４０Ａ，还未达到蓄电池允许的最大充电电流。２．中轻度刹车时的再生制动仿真结果及分析在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对中轻度刹车时汽车的再生制动过程进行仿真建模，其结构如图２．２８所示，通过限幅环节将蓄电池的充电电流为１００Ａ。图２．２８中轻度刹车仿真图仿真结果如图２．２９所示，图中给出了汽车中轻度刹车时加速、制动踏板给定信号以、电机电枢电流厶、再生制动功率忍和车速Ｖ随时间变化的曲线。４Ｉ第２章蓄电池单能量源纯电动汽车建模及控制策略研究、、＼‘·’再生翻砷辨■囊时帅／ｓ／＼／＼／＼，＼Ｉ●Ｊ确ｌｌｌｎｌｌｌｒＭＪｅｌＫｍｍｌｌ图２．２９电动汽车中轻度刹车时再生制动仿真结果从图２．２９（ａ）中可以看出，在０．６０ｓ这段时间内，加速踏板的给定信号保持在２Ｖ不变，电动汽车运行在电动状态：在６０ｓ后，给定信号切换为制动踏板信号，制动信号由０逐渐增加到．２Ｖ，电动汽车进入再生制动状态。从图２．２９（ｄ）的车速曲线可以看出，在６０ｓ电动汽车进入制动状态后，车速由正常行驶车速３５ｋｍ／ｈ逐渐降低，直Ｎ８５ｓ车速降为Ｏ，汽车停车。从图２．２９（ｂ）１拘电机电枢电流曲线和图２．２９（ｅ）的再生制动功率曲线可以看出，在６０ｓ后电机电枢电流由正常行驶状态的驱动电流０００Ａ）变为再生制动电流，随着制动踏板给定信号的增加，制动电流逐渐增大到．１００Ａ，当电动汽车在８５ｓ停车后，再生制动电流消失：电动汽车在进入再生制动状态后，制动功率由Ｏ逐渐增大到．２２ｋＷ，当停车后制动功率又减为Ｏ。从上述分析可以得出：电动汽车在中轻度刹车情况下采用再生制动时，若制动电流较小，再生制动功率较低，采用再生制动方式可以满足制动要求：当制动功率比较大，制动电流超出蓄电池的安全充电电流时，需要采用再生制动和机械４２长安大学博士学位论文制动相结合的方式，将再生制动保持在最大制动功率下，其余的制动功率由机械制动系统来提供。２．８本章小结本章在简要介绍电动汽车动力学模型和永磁直流电动机数学模型的基础上，推导出永磁直流电机驱动汽车的数学模型，该模型是一非线性微分方程。考虑到通用永磁直流电机拖动方程的普适性，同时兼顾电动汽车的特殊性，决定主要参数和环节仍采用通用直流电机数学模型，并辅之以相应的非线性环节来构建电机拖动汽车的动态模型，并根据相关参数推导出了等和乙的计算公式，使各参，’＾２３｜）数的物理意义更加明确。该方法对于研究电动汽车的控制具有重要的理论价值。在分析二象限ＤＣ／ＤＣ变换器工作原理的基础上，建立了ＰＷＭ功率变换器的数学模型。分析比较了电动汽车驱动控制系统的三种控制方式的优缺点，研究了单能量源电动汽车常见的三种再生制动模式，重点讨论了蓄电池最大允许恒定充电电流范围内的再生制动能量回收策略。最后结合电动实验车的数据，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对电动汽车的启动加速、稳速运行、减速和制动过程进行了仿真。仿真结果表明：电动汽车在电动运行状态时采用车速．电流双闭环控制能够获得良好的启动加速性能，并且车速能够很好的跟随给定信号而改变。对于电动汽车的减速及再生制动过程，能在满足电动汽车制动要求的前提下，有效地回收再生制动能量，对延长电动汽车的续驶里程，提高其经济性有重要作用。４３一第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计纯电动汽车和传统汽车的最大区别是动力源和驱动装置不同。这一差异导致其驱动控制系统和仪表盘显示参数不同。因此，需要根据纯电动汽车的特点设计适合于纯电动汽车的驱动控制系统和仪表盘。本章以公交中巴客车为对象，在第２章所述电机驱动控制系统理论分析基础上，采用汽车电子新技术设计了电机驱动控制系统，采用嵌入式系统设计了仪表盘。在此基础上，完成了驱动控制系统和仪表盘的制作和调试，并在纯电动汽车研究平台进行了功能性测试。３．１纯电动试验车系统的基本结构纯电动试验车具体的基本结构如图３．１所示，该车主要由永磁直流电动机、动力电池组、电子控制器、功率二象限ＰＷＭ变换器和智能仪表盘等组成。永磁直流电机是电动汽车的动力部件，其作用是将动力电池的电能高效地转换成机械能，或者将车轮上的动能转化为电能回馈到储能元件。动力电池是电动汽车的主能量源，其性能指标如比能量、比功率、充放电特性和使用寿命等往往是电动汽车起动加速性能、续驶里程和整车成本的决定因素。电子控制器是电动试验车的核心部件，其作用是根据传感器采集的信息，按照驾驶员的操纵指令，合理控制各驱动部件，以获得良好的操作平顺性、动力性和经济性等。ＤＣ／ＤＣ变换器的作用是将动力电池组的电能变换成２４Ｖ直流电压，为车辆用电设备提供电能。２４Ｖ蓄电池主要起稳压和起动时为用电设备提供电能。智能２４ＶＤＣ／ＤＣ动力仪表盘蓄电池变换器电池组车轮加速踏板二象限电子ＰＷＭ控制皇功率銮鬟Ｅ五磊磊直流口机械传动装置制动踏板变换器电动机ｌＬ——下ｒ一车轮图３．１纯电动试验车的基本结构３．２电气控制线路设计电气控制线路的主要功能是为试验车提供电力，按照驾驶员的指令，有序地控制继电器、接触器的工作，确保车辆运行安全可靠。试验车电气控制线路如图４４长安大学博士学位论文３．２所示。Ｆ１、Ｆ２和Ｆ３是熔断器，起过流保护作用；Ｖｌ和Ｖ２是霍尔电压传感器，分别用来检测动力电池端电压和电机电枢电压；Ａｌ和Ａ２是霍尔电流传感器，分别用来检测动力电池的输出电流和电机电枢电流；电容Ｃ１主要起稳压作用：触点开关Ｓ１合上，为电机调速提供电源；触点开关Ｓ２的作用是在起动时，Ｓ２导通使动力电池通过Ｒ１向Ｃｌ充电，避免Ｓ１导通对电容ＣＩ的冲击。触点开关Ｓ３的作用是在车辆停止时，释放Ｃ１储存的电能。图３．２电气控制线路图电气线路工作过程如下：（１）起动。驾驶员旋转车钥匙起动车辆。Ｓ４和Ｓ５导通，来自动力电池ＢＴｌ的电源经ＤＣ／ＤＣ直流变换器ＰＷＭＩ输出２４Ｖ电压给控制器、智能仪表盘和车载用电设备供电，控制器和智能仪表盘开始初始化。控制器初始化时，通过继电器输出使Ｓ２合上，给Ｃ１充电，５秒钟后，通过继电器控制Ｓ１导通、Ｓ２断开。（２）正常运行。驾驶员根据路况和智能仪表盘指示通过操纵加速踏板、制动踏板和离合器给控制器发送指令控制车辆运行。此时，Ｓｌ、Ｓ４和Ｓ５导通，Ｓ２和Ｓ３断开。（３）关闭。驾驶员旋转车钥匙至ＯＦＦ位置，Ｓｌ、Ｓ２、Ｓ４和Ｓ５均断开，从而切断电源，Ｓ３关闭，释放Ｃｌ的储能。３．３控制器系统设计３．３．１控制器总体方案设计在系统分析纯电动试验车需求的基础上，控制器系统的构成如图３．３所示。４５第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验输入的模拟信号共有１０路，对应的传感器输出电量各不相同，因此需要分别设计相应信号调理电路，将其转换成标准ｏ￣５Ｖ电压信号。输入脉冲信号有２路，输入开关量信号有３路。输出开关量信号有５路，输出ＰＷＭ信号有２路。此外还有ｌ路ＲＳ２３２通信接口完成与ＰＣ机通信，ｌ路ＣＡＮ总线完成和智能仪表盘通信。１．控制器的主要功能（１）具有４位数码管，实时显示系统运行状态参数和故障代码。（２）具有４个按键，用于修改系统参数，便于调试。（３）具有ｌ路ＲＳ２３２通信接口和１路ＣＡＮ总线通信接口。（４）具有Ｅ２ｐＲＯＭ，便于存储系统参数。（５）便于扩展。２．控制器的主要技术指标（１）Ａ／Ｄ转换器。输入电压范围：０～５Ｖ，转换精度：１０位：转换速率：１００ｋｐｓ，转换通道数：１６通道。（２）脉冲量。３通道，１个通道各用。（３）开关量输入。输入电平：２４Ｖ＝＇‘ｌ”，０Ｖ＝“０”；通道数：８通道，５个通道备用。（４）开关量输出。通道数：８，其中７个通道为常开触点，１个通道为一个常开和一个常闭触点；触点特性：３０Ｖ＆１０Ａ。（５）ＰＷＭ输出。通道数：４，其中２个通道备用。（６）电源：２４Ｖ＆ＩＡ。３．方案选择目前，用于直流调速控制大多采用ＤＳＰ芯片，直接使用厂家提供的ＤＳＰ２４０７或ＤＳＰ２８１２应用板。考虑制作方便和系统应用需求，选用飞思卡尔公司生产的９Ｓ１２ＤＧｌ２８作为控制器的ＣＰＵ单元。９Ｓ１２ＤＧｌ２８是１６位单片机，它不仅能满足控制器的要求，而且具有模糊控制指令，便于利用模糊控制算法进行控制策略研究和实现。长安大学博士学位论文ｌ动力电池端电压Ｉ－－＊＇１４．ｉ２ＬＥＤｌ·ｌ触点开关ｓｌｌ动力电池输出电流ｌ．．．．】１．＿Ｉ一然卜＋Ｈ触点开关ｓ２接光继ｌ电机电枢电压ｌ－口—－电隔◆电电－＂１触点开关ｓ３器路离ｌ电机电枢电流ＩｌＥ２ＰＲＯＭｔ－－＇－叫冷却水阀Ｉ加速踏板ｌｌ～卜－Ｔ－Ｉ真空泵Ｐｌ制动踏板１Ｗ光信·ｌＰＷＭＩｆｌ＇号●Ｍ电－－号接隔．动力电池端电压Ｉ调Ｃ离理Ｐ口－ＩＰ僦信号电Ｕ散热器温度Ｉｌ路ＲＳ２３２·●★通信驱动电路电机温度－ｌＰｃ机２４Ｖ蓄电池电压Ｉ５Ｖ●源电压Ｉ－＇－＂１８２Ｃ２５０｝＿－Ｉ智能仪表盘车速信号１信号调Ｉ理．电机转速信号＿。，钥匙开关Ｉ～ｆ光电ｌ～冈一Ｉ隔离ｌ—Ｉ几厂一电源电路卜ｌ２４Ｖ电源图３．３控制器系统构成３．３．２硬件电路设计本节将对控制器的硬件电路进行详细设计，主要包括单片机最小系统、ＰＷＭ输出电路、信号调理电路和数据通信接口电路等。１．单片机最小系统设计尽管单片机内部集成了ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ以及Ｉ／Ｏ，但是仍然需要一些外部电路的支持，这些电路主要为单片机提供电源、时钟、Ｉ／Ｏ驱动、程序下载接口等。图３．４为ＭＣ９Ｓ１２单片机的最小系统【３０】，它主要包括以下几个部分：供电电路、时钟电路、ＰＬＬ电路、复位电路、ＢＤＭ接口、ＲＳ２３２驱动电路等。２．ＰＷＭ输出电路设计根据电动汽车驱动主电路的要求，需要设计两路ＰＷＭ输出信号（ＰＷＭ］ｌ、４７第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验ＰＷＭｌ２）来控制ＩＧＢＴ的工作，为避免２个ＩＧＢＴ同时触发，保证触发电路正常工作，还需要两个控制端（ＺＦⅫＯ、ＺＦ甩０）来完成对信号的控制输出。为了实现过流、过压状态下对ＰＷＭ信号的封锁作用使用了两个控制端（ＣＴＲＬｏｏ、Ｃｎ也０１）对其进行控制。在正常工作状态下，使用组合逻辑电路来实现ＰＷＭ信号的控制，输出电机驱动控制要求的ＰＷＭ信号，按照主驱动回路的工作原理和控制要求真值表如表３．１所示。表３．１主驱动回路的控制信号真值表ＺＦＸＨＯＺＦＸＬＯＰｗＭｌｌＰＷＭｌ２０Ｏ００Ｏ１ＰＷＭＯ０ｌＯ０ＰＷＭ０１ｌＯＯ通过真值表可以得到ＰＷＭｌｌ与ＰＷＭｌ２的输出分别为：ＰＷＭｌＩ＝ＰＷＭＯ．ｚ】Ｆ）＜ＬＯ．ＺＦＸＨ０（３．１）ＰＷＭｌ２＝ＰＷＭＯ．ＺＦＸＨ０．扛ＸＬＯ（３．２）当出现过流、过压时，告警信号（Ｗ甜矾）有效，为了保证ＷＡＲＮ信号能够有效封锁ＰＷＭ输出信号，采用具有异步清零作用的Ｄ触发器来设计的具体电路如图３．５所示。长安大学博士学位论文藩趣瓣霸犁阳鐾昌甚岔笛墨笔墨宣莹宅乏≈乏鼍翟鼍乏霉昌蔷昌盆置昌昌蛊毫乏翟乏｛芝鼍瓮丑始ｒ星王￡差差墨差是叠８ｌｌ剐星２￡星星凸霉玉§ｌｌｌｌ｝｝｝｝ｉ萎莹星謦差星基墓星ｉｌｌｉｉ｝；望歪叠硭冀塞塞茎茎宅芒暮星霍翌粤圣２｛２黼ｌｌｌ堑鍪ｌ延害宦ｌ呈｝●精二－叫—引划＿一划ｊ攀蒸谢玎＿一§譬酝＝社往疆妒螈是１Ｔｆ弧霜＊～麓一．群～一●●ｌ霹溜芈－＿【一掣懈｛图３．４控制电路最小系统第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验图３．５具有过流、过压保护的两路ＰＷＭ输出信号电路原理图３．传感器和信号调理电路设计电子控制系统中用到的传感器主要有电压传感器、电流传感器、温度传感器、电子油门、制动踏板和速度传感器，这些传感器输出信号的幅度或性质并不相同，为了调理成标准的０－５Ｖ电压信号或ＴＴＬ脉冲信号，必须设计不同的信号调理电路。（１）电压、电流传感器信号调理电路电压传感器主要用来测量蓄电池和电机电枢两端电压，电流传感器主要用于测量蓄电池和电机电枢电流。电压传感器选用成都晶峰电子生产的ＪＴ０．００４Ｔ１９电压传感器，其主要性能指标为：１）测量电压范围：１０Ｖ＂＇３８０Ｖ。２）额定输出电流：２０ｍＡ。３）线性度：Ｏ．１％。４）工作电源：ＤＣ＋１２Ｖ＂－－士１５Ｖ。电流传感器选用托肯公司生产的ＴＢＣ３００ＬＴＡ霍尔传感器，该电流传感器的初、次级之间是相互隔离的，可用于测量直流、交流和脉冲电流。其主要性能指标为：１）电流测量范围：０－－－９００Ａ。２）额定输出有效值电流：１００ｍＡ－士ｏ．５％。３）测量电阻值：１５Ｑ。长安大学博士学位论文４）电源电压：ＤＣ士１５Ｖ。５）带宽（一３ｄＢ）：０－．，１００ｋＨｚ。通过对电压、电流传感器性能指标的分析可以得出一下结论：１）都是电流输出型传感器，都必需通过精密电阻转换成电压信号。通过选取合理的电阻值可以得到Ｏ～５Ｖ的输出电压值。２）由于传感器的输出信号比较大，几乎不需要进行放大。３）由于都存在零点飘漂移和调零问题，必须要设计调零电路，实现零点的调整。４）其信号带宽都在６．－１００ｋＨｚ，为了减少高频信号的干扰，可以通过设计一个低通滤波器来提高测量电路的信噪比。根据以上分析，设计的电压、电流传感器信号调理电路原理图如图３．６所示。图３．６电压、电流传感器信号调理电路原理图其中，精密电阻Ｒ０１和Ｒ０２构成信号调理电路的输入回路，把传感器输出的电流信号转换为电压信号；Ｒ１、Ｒ２及Ｒ构成调零电路；第一级运算放大器及阻容网络构成了低通滤波器；第二级运算放大器为反向放大器。当传感器在正常的工作范围内工作时，通过调整Ｒ和第二级放大器的放大倍数可以使信号调理电路的输出电压为０￣５Ｖ。（２）电子油门、制动踏板和温度传感器信号调理电路设计温度传感器选用ＬＭ３５ＤＴ温度传感器，该传感器输出电压值与温度呈线性关系，其精度可以达到±１／４０Ｃ。传感器输入／输出特性如图３．７所示。第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验图３．７温度传感器ＬＭ３５ＤＴ的输入，孳翕出特性曲线图加速踏板选用德国大众公司生产的Ｐａｓｓａｔ－－－ｂ５型电子油门，它在强振动干扰、高频电磁环境干扰及灰尘较大的恶劣工作环境下，具有机械性能稳定、抗干扰能力强、耐久度好等优异性能。加速踏板传感器把踏板角度信号转换为电压输出信号，其输入／输出特性如图３．８所示。制动踏板信号是在原车制动踏板上加装电位器来获取的，其特性和加速踏板相同。＞出．翔７图３．８加速踏板传感器的输入／输出特性曲线图通过分析温度传感器、加速踏板传感器的输入／输出特性可以得出以下结论：１）都是电压输出型传感器，信号调理电路的输入电路必须设计一个电压跟随器，以减少信号调理电路对传感器工作状态的影响。２）传感器的输出电压较小，需要进行信号放大处理。电子油门、制动踏板和温度传感器的输入为零时其输出电压值不为零，为了５２长安大学博士学位论文解决这个问题还应该在电路设计中设计调零电路，以便使其在输入为零的情况下信号调理电路的输出电压为零。具体设计电路如图３．９所示：＋】唧岍删—＿ｒ０ｖ¨‘ｌ－”一些Ｌ．椎ｓＩ“．，卜·＿弋．＇Ｊ１矿旷一“域，文～Ｌ婪『一一班ＬｈＬ口·ｕ。Ｉ，ｌ’羽～ｌ帆啦▲ｍ．＾琦乎１“■●ｎ器＝ＩＩ叮“”————写Ｐ…倒≥产２ｏ＝ｌＨ“嵋ｂ图３．９温度传感器、电子油门、制动踏板传感器信号调理电路原理图其中，第一级运放为电压跟随器，第二级为放大倍数可调的反向放大器，第三级为放大倍数固定的反向放大器，总的放大倍数为：Ｋ：—Ｒ６３＋—Ｒ６５（３．３）月６２Ｒ６７和Ｒ６６构成调零回路，当传感器在正常范围工作时，通过调整Ｒ６６和Ｒ６５可以信号调理电路的输出电压范围为０－－－５Ｖ。（３）磁电式速度传感器信号调理电路设计速度传感器选用ＤＧｌｌｌ磁电式速度传感器，该传感器适用于多种发动机的速度测量，在松花江、中意、佳宝、昌河等微型车得到非常广泛的应用，其主要技术参数为：１）电阻值（２３℃士５℃）：５４０Ｑ＋８０Ｑ。……．，２）电感值：２４０ｍＩ－Ｉ士３６ｍＨ。３）空气密隙：０．５ｍｍ－１．５ｍｍ。４）信号电压幅值（转速６０ｒ／ｍｉｎ）：０．４Ｖ。５）工作温度：－４０℃－－，１５０℃。磁电传感器为非接触测量，永不磨损、抗干扰能力强、高可靠性、长寿命，特别适用于汽车速度测量。使用时应在被测量转速的轴上装一齿轮，将传感器安装在支架上，调整传感器与齿轮顶之间隙为１．２ｒａｍ左右。当轴带动齿轮旋转，根据电磁感应的原理在传感器内部线圈的两端产生一个脉冲信号，被测轴转动一圈时就产生在Ｚ个电压脉冲信号，根据下式：Ｆ＝（ｎ／６０）×Ｚ（３．４）其中，Ｆ为１秒钟所产生的脉冲数：ｎ为被测轴转速，单位为转／分；Ｚ为齿轮齿数。齿轮齿数越多，被测轴每转一圈产生的正弦波信号越多，若齿轮齿数为第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验４０，则被测轴每转一圈会产生４０个正弦波信号。采用过零比较器将该信号转换为脉冲信号，由单片机进行处理就可以得到电机转速或车辆速度。其电路原理图如图３．１０所示。其中，二极管Ｄ８１和Ｄ８２构成限幅电路，ＬＭ３１９为比较器，Ｒ８２２、Ｒ８３１和７４ＬＳｌ４构成脉冲整形电路，调理电路的输出为标准订Ｌ电平脉冲输出。Ａ６１ｑ１）图３．１０磁电式传感器信号调理电路原理图（４）数据通信接口电路的设计电子控制单元的数据通信接口主要有两种，ＲＳ２３２通信和ＣＡＮ总线通信。ＲＳ２３２通信主要用于系统检测和调试，ＣＡＮ总线通信用于系统内实时数据的传输。ＭＣ９Ｓ１２ＤＧｌ２８ＣＰＵ内置有ＣＡＮ通讯控制器，支持ＣＡＮ２．０加协议。ＣＡＮ收发器采用Ｐｈｉｌｉｐｓ的ＰＣＡ８２Ｃ２５０芯片，其通讯速率可高达１Ｍｂｐｓ，可以对总线提供不同的发送能力和对ＣＡＮ控制器提供不同的接收能力，它符合ＣＡＮ２．０标准，完全与“ＩＳＯｌｌ８９８”标准兼容。ＰＣＡ８２Ｃ２５０可以承受汽车环境中可能产生的高瞬变电压，具有总线保护瞬变、对电池和地的短路保护、熟保护等功能，抗电磁干扰能力强，是专为汽车电子环境设计的芯片。ＣＡＮ通讯模块电路原理图如图３．１１所示【３１１。图３．ＵＣＡＮ通讯模块电路原理图５４长安大学博士学位论文３．３．３软件设计电动汽车的运行过程是一个复杂的控制过程，在控制器系统软件的控制下，电动汽车组成一个有机的整体，按照不同的状态和工况有序的运行。因此，系统软件是电动汽车控制系统的核心，控制器系统软件设计是电动汽车控制设计的关键问题。为了保证软件设计的质量，保证软件的可维护性和系统运行的可靠性，控制器系统软件设计遵循应用软件工程的思想，采用模块化设计方法。１．控制系统的软件结构按照应用软件工程设计方法，把电动汽车的控制看成一个任务，并对这个任务逐次分解到模块，分解为三级，即分解为顶级模块（主程序）、任务级模块和功能模块，如图３．１２所示。任务级模块级图３．１２电子控制单元软件模块划分示意图其中，主程序主要完成系统的初始化和系统自检，使系统进入正常的运行状态，并循环检测系统状态，根据系统不同的运行状态调用不同的任务模块，实现任务的调度和切换。任务级模块主要包括系统初始化、系统自检、数据采集、启动准备、状态检测、启动运行、正常行驶运行、加速运行、减速运行、制动运行和能量回收、系统数据采集、系统保护、系统通信等。功能级模块主要包括：ＰＷＭ输出控制、Ａ／Ｄ转换、数字量输出控制、数字量输入控制、电机和车速测量、温度测量、机油泵压力测量、蓄电池荷电状态（ＳＯＣ）测量、控制算法程序、数据发送程序、数据接收程序等。２．控制系统的主程序设计主程序在完成系统的初始化和自检后，自动进入循环检测状态，根据检测到５５第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验的状态分别进入不同的任务模块，实现任务的调度和切换，其程序流程图如图３．１３所示。图３．１３主程序流程图长安大学博士学位论文３．控制系统的任务级模块设计任务级模块包括系统初始化、系统自检、数据采集、启动准备、状态检测、启动运行、正常行驶运行、加速运行、减速运行、制动运行和能量回收、系统数据采集、系统保护、系统通信等。由于模块比较多，在此仅对正常行驶运行和制动运行等模块设计进行重点介绍。（１）系统初始化系统的初始化必须按顺序完成如下工作：封锁ＰＷＭ的输出，保证车辆刚加电时处于禁止运行状态；关闭总中断和看门狗：初始化系统堆栈：对ＣＰＵ的ＰＬＬ、Ｉ／ｏ端口、ＰＷＭ、定时／计数器、Ａ／Ｄ转换器、ＣＡＮ总线控制器、中断控制器、串口控制器、看门狗等部件进行初始化；初始化各存储单元、初始化各变量值；打开总中断和看门狗。系统初始化的程序流程图如图３．１４所示。开始初始化ＣＡＮ控制器封锁ＰＷＭ输出初始化串口控制器关闭中断和看门狗初始化中断控制器初始化ＰＬＬ初始化看门狗初始化Ｉ／Ｏ端口初始化存储单元初始化ＰＷＭ初始化各变量初始化定时／计数器打开总中断和看门狗初始化Ａ仍转换器返回图３．１４系统初始化程序流程图５７第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验（２）数据采集数据采集主要把电枢电压传感器、电枢电流传感器、蓄电池电压传感器、蓄电池电压传感器、蓄电池电流传感器、电机机壳温度传感器、冷却水箱温度传感器、电子油门、制动踏板等传感器的模拟电压信号转换为数字信号，并把数字信号根据实际标定情况换算为其对应的实际物理量值。其程序流程图如图３．１５所示。（开始）ｌ调用Ａ／Ｄ转换程序，顺序完成１６斟Ａ／Ｄ转换器的采样Ｊ计算电枢电压和电流值ｌ计算蓄电池电压电流值Ｉ计算机壳、冷却水箱温度值ｌ计算电子油Ｉ＇－Ｊ对应的速度值ｌ根据制动踏板值，判断制动程度０（返回）图３．１５传感器数据采集程序流程图（３）状态检测电动车运行时有系统保护、启动状态、正常运行、加速运行、减速运行、制动运行等多种工作状态，这些工作状态的判别是通过传感器变化来检测的。系统状态检测程序流程图如图３．１６所示。长安大学博士学位论文图３．１６系统状态检测程序流程图其中，Ｔ１为当前电机机壳温度传感器的采样值，丁ｌ一为其对应的极限值：Ｔ２为当前冷却水箱温度传感器的值，丁２ｍ联为其对应的极限值；ＳＯＣ为当前蓄电池储存能量值，瓯。。为蓄电池储能设定最小值；Ｐ１为当前机油泵压力传感器的值，Ｐ１眦为其对应的设置值；Ｄ（ｋ）为电子油门当前的采样值，Ｄ（ｋ－１）为电子油门上一次的采样值，ＤＳＥＴＩ、ＤＳＥＴ２、ＤＳＥＴ３为对应的设定值，ＣＳＥＴｌ、ＣＳＥＴ２、ＣＳＥＴ３为当前采样值与上一次采样值差值对应的设定值；ＢＫ为当前制动踏板的采样值，ＢＫＳＥＴｌ为其对应的设定值。（４）正常行驶运行状态Ｓ９第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验电动汽车正常行驶运行状态时，驾驶员通过操作电子油门来设定期望的车速，控制系统根据设定车速和实际测量得到的车速误差信号来计算电机输出的功率，使车速达到设定的速度，实现车辆的正常驱动行驶。为了保证电动汽车速度调整具有较好的性能，本系统采用了车速电流双闭环控制策略。其具体算法为：１）测量电子油门的开度，即踏板给定信号以。２）测量当前车辆速度实际值，并计算反馈到电子油门的控制信号％。３）计算给定踏板信号与车速反馈控制信号的误差值△巩＝以一ｕ。４）采用限幅ＰＩ算法计算期望电枢电流值的控制电压矿。５）测量当前电枢电流值Ｌ，并计算电枢电流的反馈控制信号弘。６）计算期望控制电压与反馈控制电压的差值△Ｕ＝矿一Ｕ。７）采用限幅ＰＩ算法计算主驱动电路ＰＷＭ的占空比。８）输出控制信号。（５）制动运行和能量回收电动汽车的减速制动是依靠机械制动和电制动相结合的方式来实现，此时电动机运行在发电状态，控制系统的主要任务是将部分动能转化为电能回馈给蓄电池，实现能量的回馈。电动汽车的再生制动控制策略有多种。本系统采用以充电电流小于蓄电池最大充电电流为条件的再生制动控制策略，其控制程序流程图如图３．１７所示。图中ｋ为蓄电池允许的最大恒定充电电流。（开始）●读取』讲换算为Ｃ刀．＋采集电枢电流值助并换算为Ｕ‘计算△酗剐７－嘞ｌＩ调用ＰＩ程序计算ＰｗＭ占空比Ｉｌ调用ＰＷＭ输出程序●（返回）图３．１７制动运行和能量回收控制程序流程图长安大学博士学位论文４．控制系统的功能模块设计功能级模块主要包括：ＰＷＭ输出控制、Ａ／Ｄ转换及数据处理、数字量输出控制、数字量输入控制、电机转速和车速测量、温度测量、机油泵压力测量、蓄电池荷电状态（ＳＯＣ）测量、ＰＩ控制算法程序、数据发送程序、数据接收程序等。由于模块较多，在此仅对ＰＷＭ输出控制及蓄电池荷电状态（ＳＯＣ）测量模块作重点介绍。（１）ＰＷＭ输出控制ＰＷＭ输出控制是控制与主驱动电路的接口，ＰＷＭ输出控制信号的处理时应该避免由于系统干扰造成ＰＷＭ占空比变化过于频繁和ＩＧＢＴ瞬间产生大电流损坏电动机。为了解决这个问题，采用以下处理方法：设后为当前的处理次数，当前经ＰＩ计算的占空比为Ｄ（七），前一次计算的输出占空比为Ｄ（ｋ－１），ＤＡＳ为两次占空比之差的绝对值，即：ＤＡＳ＝ｊ【Ｄ（ｋ—１）一Ｄ（七）Ｄ（七）一Ｄ（七一ｊ）Ｄ（，）＞Ｄ（七一１）Ｄ（七）＜Ｄ（ｋ－１）设‰为ＰＷＭ输出的对应阀值，则第Ｋ次实际控制ＰＷＭ的占空比Ｄ（ｋ）为：ＩＤ（七）ＤＡＳ＜Ｄ眦Ｄ（ｋ）＝｛Ｄ（ｋ一１）＋％ＤＡＳ＞‰＆Ｄ（ｋ）＞Ｄ（ｋ一１）Ｉ．Ｄ（ｋ—１）一‰ＤＡＳ＞Ｄ眦＆Ｄ（ｋ）＜Ｄ（ｋ一１）（２）蓄电池荷电状态（ＳＯＣ）测量【３２】目前，蓄电池荷电状态（ＳＯＣ）估算方法中，使用最多的有两种方法，即开路电压法（Ｏｐｅｎ·ｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）和安时法（也称电流积分法）。铅酸蓄电池在其性能完全稳定的时候，其开路电压与剩余电量存在着很明显的线性关系，而且这种线性关系受环境温度以及蓄电池的老化因素影响很小。图３．１８所示为铅酸蓄电池在不同放电率下的放电曲线。６ｌ第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验图３．１８铅酸雷电池在不同放电翠Ｆ的放电曲线对图３．１８的曲线利用乞＝÷（３．５）№）＝舞学（３．６，进行归一化处理，便可得到图３．１９所示曲线。其中，，为蓄电池放电时间（ｈ）：ｒ为蓄电池整个放电时间长度（ｈ）：乙为归一化时间；ｒ（ｔ）为蓄电池放电过程中时刻ｔ对应的电压（Ｖ）；‰为蓄电池放电终止电压（Ｖ）；Ｖｏ为蓄电池放电初始时刻的开路电压（Ｖ）；ｙ（乙）为归一化电压。ｏ’ｏ圈曾：孥ｌ丑归一化时同ｔ－图３．１９进行归一化处理后的曲线经过归一化处理后，放电曲线的一致性变得很好，只要知道蓄电池在任意时刻的放电电压ｙ（ｒ），就可以求得归一化电压ｙ（乞），然后对照归一化曲线就可以求得归一化的时间ｆＩ，从而得到ＳＯＣ的估算公式：ＳＯＣ＝（１－ｔ．）ｘ１００％（３．７）长安大学博士学位论文这种方法的优点是能够实时估计电池组的ＳＯＣ，并且在恒流放电时，具有较佳的效果。但是由于在不同放电率下的整个放电时间很难获得，蓄电池在使用过程中老化因素也会对ＳＯＣ产生影响，同时放电电流强度对放电终止电压也有影响，因此实际使用中这种方法估算ＳＯＣ的精度低。因此，设计时采用实用性更好的“瞬间恒定电流一端电压测量法”，其数学模型为：№，＝搿乙＝——｝（３．８）ｑ％ｏⅣｒ』ｏ．０５％＠９，其中，，为蓄电池放电时间（ｈ）；瓦ｍ％为蓄电池以２０ｈ放电率的电流放电到终止电压所需的放电时间（ｈ）；纰为蓄电池放电到终止电压所需放电时间随放电电流强度变化的修正系数；略。Ⅳ为蓄电池放电到终止电压所需放电时间随循环次数增加的修正系数；乙归一化时间；ｙ（，）蓄电池放电过程中时刻ｔ对应的电压（Ｖ）．Ｖｏ∞ｃ柚．耐以２０ｈ放电率的电流连续放电时所容许的放电终止电压（Ｖｈ％蓄电池放电初始开路电压（Ｖ）；万蓄电池放电终止电压随放电电流强度变化的修正系数；ｙ（乙）归一化电压。蓄电池在放电初始开路电压为虼的状态下，通过测量恒流放电条件下放电时刻ｒ及其所对应的放电电压Ｖ（ｔ），即可而建立起ｙ（乙）－乞曲线，把处理结果以表格的形式存到单片机的ＦＬＡＳＨ存储器中。若蓄电池以该电流恒流放电时的放电电压为Ｖ（ｔ），就可以求得归一化电压ｙ（乙），然后对照矿（乙）－乙曲线就可以求得归一化的时间，－，根据估算公式即可估算出ＳＯＣ的数值：ＳＯＣ＝（１－ｔ．）ｘ１００％（３．１０）蓄电池荷电状态测量的程序流程图如图３．２０所示，其中入口参数为蓄电池两端恒流放电时电压值，出口参数为ＳＯＣ值。第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验（开始）０Ｉ测量恒流放电时刻蓄电池Ｉ两端的电压值Ｖ（ｔ）０Ｉ计算归一化电压值Ｖ舢）０ｌ查表得到归一化时间ｔｕ◆Ｉｓｏｑｌ舢）·ｌｏｏ％０（结束，返回）图３．２０蓄电池荷电状态（ＳｏＣ）测量程序流程图３．４智能仪表盘设计３．４．１硬件设计Ｓａｍｓｕｎｇ半导体公司生产的ＡＲＭ９系列芯片Ｓ３Ｃ２４４０所采用ＣＰＵ是一个３２位ＡＲＭ９２０Ｔ的ＲＩＳＣ处理器。ＡＲＭ９２０Ｔ实现了ＭＭＵ，ＡＭＢＡＢＵＳ和Ｈａｒｖａｒｄ高速缓冲体系结构，ＭＭＵ用于支持ＷｉｎＣＥ，ＶｘＷｏｒｋｓ和Ｌｉｎｕｘ等嵌入式操作系统。Ｓ３Ｃ２４４０内部还集成了最大支持４Ｋ色ＳＴＮ和２５６Ｋ色ＴＦＴ的ＬＣＤ控制器，提供ｌ通道ＬＣＤ专用ＤＭＡ。采用￥３Ｃ２４４０芯片设计智能仪表盘的硬件结构原理框图如图３．２ｌ所示【３３１：图３．２１智能仪表盘的硬件结构原理框图１．电源模块电源管理是系统设计中的重要环节，它为系统各个模块供电。可靠的电源设计是整个硬件电路稳定运行的基础。系统采用ＡＭＳｌ０８４．３．３和ＡＭＳｌ０８５ＣＤ电源长安大学博士学位论文芯片来为整个硬件系统提供动力，电路原理图如图３．２２所示。图３．２２电源模块电路原理图２．存储器模块设计嵌入式系统设计时考虑系统的性价比，并考虑系统的起动速度，■般采用ＮＯＲＦＬＡＳＨ来存储系统引导部分程序以提高系统的起动速度，操作系统内核的大部分应用程序一般存储在ＮＡＮＤＦＬＡＳＨ或外部设备中。同时，为了支持嵌入式操作系统的运行，嵌入式系统一般需要设计规模较大的数据存储器，通常采用ＳＤＲＡＭ和ＤＤＲ，存储容量一般大于３２ＭＢ，本设计采用两片三星Ｋ４Ｓ５６１６３２Ｈ—ＵＣ７５芯片构成６４Ｍ的ＳＤＲＡＭ作为数据存储器，采用ＡＭＤＡＭ２９ＬＶｌ６０ＤＢＮｏｒＦｌａｓｈ芯片作为系统引导部分程序存储区，采用Ｋ９Ｆ１２０８ＵＯＢ（６４Ｍ）ＮａｎｄＦｌａｓｈ芯片作为其他程序或参数存储区。存储器模块的电路原理图如图３．２３所示。第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验Ｄ口ＯＤ科ＤＵＤ盯Ｄ００”ｐｑｌＤＱｌＤ∞Ｄａ３，ＬＤ．ＭＷＤ∞Ｄ０３Ｄ０４ＤｏｊＤ舭３１Ｉ＞Ｑ５Ｄ黔Ｄ∞Ｄ０７Ｄ０６Ｄ０７ＤＱ８幻Ｄ姒０ＬＤＡＴ．Ｕ４Ｄ∞Ｄ０９Ｄ谚ＤＱｌ０Ｌ＾ＤＤ船●柚Ｂ＾Ｏ囊＾ｌＬ】）ａ奠ＵＤｎＭ１５ＣＫＥＤ口ｌｌＤＯＵＤＯｌ３ＤＱＩ●ＤＱＩ，∞ＬＤ＾Ｔ＾１２竺等等髫嚣暑ｉ∞ＤＱｍＤＯｌｌＤＱｎＤＱｌ３Ｄ口１４ＤＱｌｊＬＤＡ￡＾ｊ７伯∞ＬＤｐ烈ＨＬ＾ＤＤＲ甜ＬＤ＾删ＫＲ“矗觚ｎｓｃＪ噶矗Ｓ瞄西郴醇ＣＳｍＳＣｌ置ＳＣｌ毒■阮∞ＤＯⅧＤ１＇ＤＤ２ｌ：瞩＇跚１霸Ｓｌｑ啪Ｕｍ耋暑勰船器鼢镪∞弼∞Ｈ聊’Ｅ蟠ｌ嘲砸∞ⅦＤ１１∞Ｄ１、ｉ落Ｑｏ“弼ｑｌⅥ）Ｄ∞、焉Ｓ∞啊坊口，勘ＤＱＯ西Ｄｑｌ功ＤＯＯ∞ＤＱＩ■ｓｓＱｘ∞Ｄ∞镯∞协Ｄ∞脚删Ｍ∞、器Ｓ０３ｒ］饼上铋上Ｏｑ面０逦Ｐ图３．２３存储器模块电路原理图３．ＬＣＤ接口电路设计ＬＣＤ主要实现字符、参数和图形显示，可可液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏。ＴＦＴ液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，而且可以精确控制显示色阶。ＴＦＴ液晶显示屏的特点是亮度高、对比度好、层次感强，色彩鲜明【３４１。本设计采用ＮＥＣ２５６Ｋ＇色Ａ８００ｘ４８０／７英寸ｎ呵真彩液晶屏，该型号ＬＣＤ带有４线触摸屏。Ｓ３Ｃ２４４０的ＬＣＤ接Ｉ：１控制其与该款ＬＣＤ显示器的接口兼容，详细的接口电路原理图如图３．２４所示。长安大学博士学位论文一：●ｏｏｍｎＢＨ黝一一一～一～一一一罄如Ｐ一吼一一７图３．２４ＬＣＤ接口电路原理图４．ＣＡＮ通信模块ＣＡＮ通信模块主要完成智能仪表盘与电动汽车控制器之间的数据传递，由于Ｓ３Ｃ２４４０上没有专门的ＣＡＮ控制器，因此需要选用ＣＡＮ控制器芯片来设计通信接口。ＭＣＰ２５１０是由美国微芯科技有限公司生产的一款带有ＳＰＩ接口的控制器局域网络（ＣＡＮ）协议控制器，它完全支持ＣＡＮ２．０Ａ、主动和被动ＣＡＮ２．０Ｂ等版本的协议，能够发送和接收标准和扩展报文。它还同时具备验收过滤以及报文管理功能。ＭＣＰ２５１０通过ＳＰＩ接口与￥３Ｃ２４４０进行数据通信，最高数据传输速率可达５Ｍｂ／ｓ。ＭＣＰ２５１０内含三个发送缓冲器、二个接收缓冲器和灵活的中断管理能力，这些特点使得Ｓ３Ｃ２４４０对ＣＡＮ总线的操作变得非常简便。ＭＣＰ２５１０为总线提供差动的发送功能，为ＣＡＮ控制器提供差动的接收功能，接口电路原理图如图３．２５所示［３５－３６］。６７第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验＋５ＶＧＮＤ图３．２５ＣＡＮ总线系统硬件连接图３．４．２软件设计智能仪表盘的软件设计应遵循循序渐进的原则，先进行操作系统的定制与移植，在此基础上建立软件的开发环境，最后进行应用程序的设计及智能仪表盘与控制器的数据通信的处理。１．嵌入式系统的定制与移植【３７１微软为ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ（简称ＷｉｎＣＥ）操作系统的裁剪和定制提供专用的工具是ＰｌａｔｆｏｒｍＢｕｉｌｄｅｒ５．０，简称ＰＢ５。应用ＰＢ５裁剪、定制及编译ＷｉｎＣＥ操作系统的过程主要有以下步骤：（１）启动运行ＰＢ５（２）导入嵌入式系统硬件平台的ＢＳＰ（３）创建内核定制文件点击Ｆｉｌｅ—ＮｅｗＰｌａｔｆｏｒｍ…，启动内核定制向导，输入相应的工程设计文件名、选择相应的ＢＳＰ、选择相应的设备开发模板以及按照定制向导的指示完成其它一些选项设置即可完成内核文件的创建工作。回至ＵＰｌａｆｆｏｒｍＢｕｉｌｄｅｒ５．０的主窗口，可以看新的工程文件已经创建，如图３．２６所示。长安大学博士学位论文ＰｒｅｓｓＦｌｆｏｒＨｅｌｐ面ｊ·６ｊ．亡。亓。徭￡ｉ面丽再证硒。丽≤１ｉ９ｊｉ菇。囱萌图３．２６ＰＢ５内核定制主界面１）添加组件从图３．２６可以看到，内核定制主界面中左边为内核工程文件，它已经包括了ＷｉｎＣＥ操作系统的一些基本组件，右边为ＷｉｎＣＥ操作系统中可选的组件。若需要添加其它组件，选中该组件添加到工程文件中即可。２）编译ＷｉｎＣＥ操作系统当所有需要的组件添加完成后，单击ＢｕｉｌｄＯＳ＿Ｓｙｓｇｅｎ或者点工具栏的蕾按钮进行系统编译，编译后会生成ｎｋ．ｂｉｎ文件，即ＷｉｎＣＥ操作系统的二进制目标文件。生成的ＮＫ．ｂｉｎ文件可以通过ＪＴＡＧ、ＲＳ２３２串口或网络接口，使用相应的下载工具软件下载到目标开发板的ｆｌａｓｈ中。当ＮＫ．ｂｉｎ文件下载到目标开发板的ｆｌａｓｈ后，目标开发板重新上电，ＢｏｏｔＬｏａｄｅｒ将自动完成系统的初始化和ＷＩＮＣＥ嵌入式操作系统的引导过程，启动ＷＩＮＣＥ嵌入式操作系统。２．智能仪表盘软件开发环境的建立智能仪表盘软件的开发环境使用的是北京昆仑通态公司推出的组态软件ＭＣＧＳ嵌入版。其安装盘，包含有ＭＣＧＳ全中文工控组态软件嵌入版，以及支持第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验的设备驱动，可通过该光盘的安装向导来完成ＭＣＧＳ及其设备驱动的安装。ＭＣＧＳ嵌入式体系结构分为组态环境、模拟运行环境和运行环境三部分。组态环境和模拟运行环境相当于一套完整的工具软件，可以在ＰＣ机上运行。运行环境是一个的运行系统，它按照组态工程中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能ｆ３钔。３．应用程序的设计由ＭＣＧＳ嵌入版生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如图３．２７所示。ＭＣＧＳ主窗口设备窗口用户窗口运行策略系统参数设备构件ｌ图元启动策略图符启动参数设备构件１１动画构件一一～一一一一一循环策略退出策略自定义策略图３．２７ＭＣＧＳ嵌入版用户应用系统构成结构图ＭＣＧＳ嵌入版用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置出各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据进行可视化处理。在ＭＣＧＳ嵌入版中可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。通过功能分析，将智能仪表盘的用户窗口分为五个窗口，除初始化窗ｒｅ＃ｌ－，将数据的采集和处理分成四个窗口，一是车辆正常行驶时的功能显示，二是实时数据监测界面，三是主要参数状态曲线回放，四是电动汽车实验板的模块自检功能显示。智能仪表盘用户应用程序的设计过程包括以下几个方面。（１）首先打开ＭＣＧＳ嵌入式组态软件，创建一个新的工程。（２）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立需要的用户窗口。通过“用户窗口属性设置”，可更改窗口的相关属性。（３）制作工程画面：以车速表为例，选中主界面，单击动画组态，进入主界面编辑窗口，单击绘图工具箱中的刨（旋转仪表）按钮，在主界面的适当位置就可画出任意大小的仪表盘，通过双击该控件，可修改其线条及指针颜色，修改仪表的刻度及旋转角度等。可使用工具箱中的△来为仪表的刻度单位进行标注。采７０长安大学博士学位论文用同样的方法，参照车速表的设计完成其它控件的设计。实际设计完成的主界面如图３．２８所示。图３．２８电动汽车主界面设计１）定义数据对象：在实时数据库窗口页，单击“新增对象”按钮，选中该新增对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置”窗口，可更改对象名称、对象类型，并为对象添加注释、选择数据的自动存盘属性Ａ盘守Ｏ２）数据关联：以车速表为例，在主界面中双击车速表控件，在操作属性中，点击表达式输入框中选择数据对象“车辆速度”，设计仪表在最大顺、逆时针角度时对应的表达式的值。至此，数据对象就和控件关联起来，控件会跟随数据变量的变化而做出相应的动作。３）设备连接：设备连接主要是为了便于外部数据的采集。在设备窗口中，进入设备组态编辑窗口，在设备工具箱中可添加相应的设备。４）编写控制流程对于大多数简单的应用系统，ＭＣＧＳ组态软件默认的控制流程已经能够完全满足系统运行的需要，控制流程的编写只需要在循环过程中加入对数据的处理。在运行策略中选择新建策略，建立一个数据转换的循环策略，将其表达式设置为１，即一直执行该策略。为该策略添加脚本程序，打开脚本程序的编辑窗口，根据控制流程编写用户的循环策略。７ｌ第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验５）界面切换界面切换采用按钮进行切换，它执行的是返回上一页面的指令，具体的实现方法是在界面中添加按钮控件，双击该按钮，设置其操作属性，对抬起和按下两种状态设置对应的功能，即可实现不同界面的切换。４．智能仪表盘与控制器的数据通信智能仪表盘与控制器之间通过ＣＡＮ总线通信，连接示意图如图３．３０所示：ＣＡＮＨＣＡＮＬ图３．３０ＣＡＮ总线通信连接示意图ＣＡＮ是一种多主串行通讯总线，能够有效检测出数据通信中产生的错误，具有传输速率高、抗电磁干扰能力强、实时性好等优点。ＣＡＮ总线通信协议包括ＣＡＮ２．０Ａ和ＣＡＮ２．０Ｂ两种：Ａ部分规范ＣＡＮ的报文说明；Ｂ部分规范了标准格式和扩展格式的说明【３９１。ＣＡＮ２０．Ａ通信协议规定了４种不同的帧格式：（１）数据帧：用于节点间传递数据，是网络信息的主体。（２）远程帧：由在线单元发送，用于请求发送具有相同标识符的数据帧，其帧格式与数据帧基本相同，但没有数据场。（３）出错帧：出错帧是检测总线出错的一个信号标志，由两个不同的场构成。ＣＡＮ协议采用ＣＲＣ校验并提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。（４）超载帧：由超载标识和超载界定符组成，表明逻辑链路控制层要求的内部超载状态，并将由媒体访问控制层的一些出错条件启动发送。ＣＡＮ２．０Ｂ协议中有两种不同的帧格式，即具有ｌｌ位标识符的帧为标准帧和具有２９位标识符的帧为扩展帧，其数据帧格式如图３．３ｌ所示。长安大学博士学位论文怀，医怡巩１１Ｘ巾Ｕ—叨１】‘＾ＷＮＪ４ＳＲＩＯ１ｌ位标识符ｒＤＤＬＣＴＦ０ＲＥ刀腮怡Ａ—ｌ’’·－■ｌ～Ⅲ一一ｊＺ巾Ｊ．Ｉ．Ｗ．Ｉ一Ｍ１，口Ⅲ’７ＳＳＩＲＯｌｌ位标识符ｒＲＤ１８位标识符ｒＴＦ１０ＤＬＣＲＥＲ图３．３１ＣＡＮ总线的标准帧和扩展帧的帧格式标识符是报文的名称，在仲裁过程期间，它首先被送到总线。在接收器的验收判断和仲裁过程确定访问优先权中都要用到。远程发送请求位（Ｒ１限）用来确定是发送远程帧还是数据帧，当ＲＴＲ为高电平时，ＣＡＮ控制器发送远程帧，低电平时则发送数据帧。数据长度码（ＤＬＣ）用来确定每帧要发送几个字节的数据，最多为８个字节。为便于ＣＡＮ总线网络中各个子系统之间的通信，智能仪表盘对数据场的不同参数进行了编码处理，其编码如表３．２所示。表３．２ＣＡＮ通信参数编码表ＢＹＴＥＯＢⅥＥｌ参数定义０００１车辆速度０００２电机转速０００３加速踏板信号０００４制动踏板信号０００５电机驱动电流０００６电机电枢电压０００７蓄电池电流０００８蓄电池电压０００９蓄电池电量００ＯＡ电机温度００ＯＢ水箱温度１００ｌ开关量输入状态ｌＯ０２开关量输出状态ＣＡＮ通信接口模块的程序主要包括三部分：初始化子程序、发送子程序和接收子程序。初始化程序主要是通过ＣＡＮ控制器控制段中的寄存器写入控制字，从而确定ＣＡＮ控制器的工作方式。有三种方式进入初始化程序：一是上电复位，二是硬件复位；三是软件复位，即在运行期间通过给ＣＡＮ控制器发一个复位请求，置复位请求位为ｌ。在复位期间必须初始化的寄存器有控制寄存器ＣＴＬ、发送控第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验制寄存器ＴＣＲ、接收中断允许寄存器ＲＩＥＲ、总线定时寄存器ＢＴＲ、验收控制寄存器ＩＤＡＣ、验收寄存器ＩＤＡＲ、验收屏蔽寄存器ＤＭＲ等。主节点ＣＡＮ数据接收采用中断方式，ＭＣＵ内部的ＣＡＮ控制器具有双缓冲接收结构，对总线数据具有一定的缓存能力，通常系统采用主程序查询方式对接收数据进行处理，并用广播方式发送，对特殊数据采用远程帧申请方式，这样更有利于程序对多个任务的结构化管理，其程序流程图如图３．３２所示【加】。．图３．３２ＣＡＮ总线数据发送接收程序流程图３．５系统测试与实验为保证电动汽车能安全、稳定、可靠地运行，在装车前需要对电驱动控制系统进行系统功能测试和实验。系统功能测试和实验分为两大部分，其一是对主控制器和功率变换器进行系统功能测试：其二是对其进行台架性能实验。如前所述，电动实验车所用电机最高电压Ｕ嗽＝２８８Ｖ，最大电流匕＝４５９．２Ａ。为保证测试过程的安全性，且便于对驱动系统进行系统功能测试和实验，在实验室制作了一套小功率电机驱动测试系统。如图３．３３所示，其驱动电机选用济南科亚公司生产的永磁直流电动机，其主要技术指标如下：％＝２４Ｖ，‰＝４００Ｗ，乙＝２２Ａ，‰＝３０００ｒ／ｎ，ｄｎ。负载由永磁直流发电机和滑线变阻器连接组成。７４长安大学博士学位论文图３．３３小功率电机驱动测试系统为保证小功率电机测试台调试结果、台架试验测量结果和控制参数与整车运行的一致性，小功率电机测试台所选用电压和电流传感器量程必须相应变化，其余传感器所选型号应完全一致。图３．３４所示为被测试控制电路板实物图。图３．３４控制电路板实物图７５第３章单能量源纯电动试验车控制系统的设计与实验在小功率电机测试台上对被测参数进行标定后，再对各参数进行测试，其测试结果如下：１．加速踏板信号的测试使用ＨＵＴｌＸ３６０型游标量角器对上海大众ＰａｓｓａｔＢ５电子油门踏板的开度进行测量，使用测量结果对智能仪表的角度显示进行标定，电子油门踏板的角度直接通过智能仪表界面进行显示。量角器的实测角度及智能仪表显示角度值如表３．３所示。表３．３角度测量记录实际角度Ｏ２５１０１５１６１８２０２５表盘显示值０２．０５．１９．８１４．９１６．Ｏ１８．０２０．３２４．８２．转速的测量使用转速表ＶＣ８５０作为智能仪表转速显示的标定设备，电机控制采用开环控制策略，加速踏板信号直接控制ＰＷＭ的占空比，待转速稳定后，分别读取转速表的值和智能仪表盘显示值，其测试结果如表３．４所示。表３．４转速测试记录仪表盘显示值Ｏ５００１０００１５００２０００２５００３０００（ｒ／ｍｉｎ）转速表显示值０５００１０００１５０１２００１２５０１３００２（ｒ／ｍｉｎ）电机电枢电压的测量使用电压表ＶＣ８４０作为智能仪表电压显示的标定设备，系统采用开环控制，待电压表读数显示稳定后，分别读取电压表和智能仪表盘电压显示值，其测试结果如表３．５所示。表３．５电机电枢电压测试记录电表盘显示值（Ｖ）０．０５．０１０．Ｏ１５．０２０．０２４．Ｏ电压表显示值（Ｖ）Ｏ．０５．Ｏ９．９１４．９２０．０２３．８４．电机电枢电流的测量使用数字式钳形电流表ＨＣＬ．３０００作为智能仪表电流显示的标定设备，控制７６长安大学博士学位论文系统采用电流单闭环控制，加速踏板角度值代表电流给定值，通过改变测试台中滑线电阻值，改变负载等效电流，待仪表盘显示电流值稳定后，分别读取电流表和智能仪表盘电流显示值，其测试结果如表３．６所示。表３．６电枢电流测试记录仪表盘显示值（Ａ）Ｏ．Ｏ４．０８．Ｏ１２．Ｏ１６．０２０．Ｏ２２．Ｏ电流表显示值（Ａ）Ｏ．Ｏ４．０８．１１２．１１５．８１９．８２２．２５．温度测试温度测试时，使用高精度温度传感器ＰＴｌ００作为车用温度传感器ＬＭ３５ＤＴ的标定设备。将ＬＭ３５ＤＴ和ＰＴｌ００置入恒温箱，ＬＭ３５ＤＴ和控制板相连，温度传感器ＰＴｌ００和温度显示仪ＸＭＴ一１００相连。改变恒温箱的温度，待恒温箱温度稳定后，分别读取温度显示仪和智能仪表盘温度显示值，其测试结果如表３．７所示。表３．７电枢电流测试记录仪表盘读数（。Ｃ）ｌＯ．Ｏ２０．Ｏ４０．０６０．Ｏ７０．Ｏ８０．Ｏ１００．０温度表读数（。Ｃ）９．９２０．１３９．８６０．４７１．２８０．５９９．４在确保各被测参数精度基础上，在小功率电机测试系统上完成了开环控制系统、电流单闭环控制系统、转速单闭环控制系统、转速／电流双闭环控制系统的调试，为台架试验做好了准备。３．６本章小结根据单能量源纯电动汽车的要求，简要介绍了试验车的基本结构，完成了控制系统配套所需电气控制线路的设计。在此基础上，提出了控制器系统的总体设计方案，完成了器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作，同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限ＰＷＭ功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示，完成了智能仪表盘的软硬件设计。在实验室完成了系统功能测试。实验结果表明：自制的控制系统和仪表盘能满足纯电动实验车的要求。第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配蓄电池不能同时提供足够高的比能量和比功率，很难满足纯电动汽车在加速性能、爬坡能力、续驶里程和制动能量回收等方面的使用要求，迫切需要一种高性能的能量源，在加速或爬坡时能提供大的峰值功率，并在制动时快速、高效地回收制动能量。近年来发展起来的超级电容器具有比功率高、循环寿命长、瞬时放电电流大和充电时间短等特点［４２，４３１，将蓄电池与超级电容混合使用，可以满足纯电动汽车对比能量和比功率的双重要求，最大限度地延长续驶里程，并使整车的动力性能和制动能量回收能力都有很大提高【４４４ｑ。本章主要对纯电动汽车用蓄电池．超级电容双能量源系统进行研究，重点解决双能量源系统匹配结构选择、主回路设计、参数匹配优化及仿真验证等问题。４．１电动汽车双能量源系统的研究现状双能量源采用高比能量的蓄电池作为主能源，高比功率的超级电容为辅助能源，以满足电动汽车运行过程中对功率和能量的双重要求【４丌。该方案主要有以下优点【４３，４９］：使车辆对能量源的比能量和比功率要求分离开来，主能源的设计可以集中考虑对比能量和循环寿命的要求，辅助能源在加速或爬坡时提供短时功率输出；使主能源的放电电流的波动减少，循环寿命得到提高，再生制动能量回收效率提高，车辆的续驶里程得到延长。根据蓄电池和超级电容主辅能量源的连接关系，常见的双能量源匹配方式分为串联和并联两种【５０，５１］。串联结构要求主、辅能量源之间通过ＤＣ／ＤＣ变换器相连接，然后再与电机驱动系统连接。这种结构形式简单，但大电流充电放电情况下对电机驱动系统直连的储能源要求较高，整体可靠性差，与电机驱动系统不直连的能量源优点往往不能充分发挥，故一般情况下不采用串联匹配结构。目前，蓄电池和超级电容的并联结构成为电动汽车中应用较多的主辅双能量源搭配方式之一。凡Ａ．Ｄｏｕｇａｌ等人通过理论分析建立超级电容和蓄电池的模型，并证明了蓄电池和超级电容的匹配可以使系统整体性能得到提高【５２１；ＬｉｊｕｎＧａｏ等人在上述研究的基础上做了主回路的理论分析和仿真实验【５３】，如图４．１所示。结果表明，双能量源系统通过在超级电容和蓄电池间增加ＤＣ／ＤＣ变换器，可以使双能量源的负载适应能力有较大的提高，能够降低蓄电池的内部损耗、延长放电时间，以满足负载对功率和能量的双重要求。长安大学博士学位论文图４．１蓄电池和超级电容双能量源主回路基于上述思想，文献［５４－６０］依次研究了蓄电池和超级电容双能量源系统在轻卡、混合动力车、面包车和城市公交大客车中的应用，表４．１给出了双能量源系统配置和应用情况。表４．１蓄电池．超级电容双能量源系统的应用情况序号超级电容蓄电池负载车型参考文献ｌ２７００Ｆ１２．３Ｖ铅酸蓄电池永磁无刷直流３００Ｖ３１２Ｖ电机３２ｋＷ电动轻卡【５４】２ｌ２００Ｆ／２．５Ｖ镍氢电池直流电机混合动力３００Ｖ３３６Ｖ３０ｋＷ电动汽车【５５】３１６０００Ｆ／１．４Ｖ铅酸蓄电池永磁直流电机电动公共３８０Ｖ３８４Ｖ７５ｋＷ大客车【５６，５７１４７０００Ｆ／３．５Ｖ铅酸蓄电池永磁直流电机电动３５０Ｖ１２０Ｖ２０ｋＷ面包车【５８，５９】文献【５４】针对电动轻卡行驶工况对能量的需求构建了双能量源系统：由蓄电池组、超级电容、ＤＣ／ＤＣ功率变换器、电机功率变换器和牵引电机组成，如图４．２示。Ｄ２足Ｃ图４．２电动轻卡双能量源系统主回路双能量源系统由于超级电容的加入，车辆运行过程中蓄电池的工作电流几乎是恒定的，超级电容器提供变化的电流，并利用超级电容快速回收整车制动能量，使整车的性能得到提高。在此基础上，文献［５５】将其应用于混合动力电动汽车，通过合理配置和制定控制策略，使整车性能达到最佳。文献［５６，５７］对双能量源系统的控制策略展开研究，在其研制的纯电动公交大客车上加装了超级电容器，第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配电容配合蓄电池工作，并提出电流约束控制策略、速度约束控制策略以及综合控制策略。仿真分析和场地实验结果均表明：加入超级电容器后，电动汽车的加速时间缩短，动力电池组的工作电流也相应地减小，平均能耗降低，整车动力性能和经济性能得到了提高。文献［５８，５９］针对纯电动面包试验车，提出了图４．３所示的纯电动汽车蓄电池和超级电容双能量源系统。超级电容通过接口电路连接至直流母线，车辆起动和加速时超级电容与蓄电池并联供电，车辆制动过程中，将电机回馈能量存储于超级电容中，从而达到提高电动汽车续驶里程的目的。同时，重点研究了双能量源系统的再生制动能量回收ＰＩＤ、鲁棒玩控制策略，在市内道路上进行的续驶里程实验结果表明：超级电容．蓄电池双能量源系统可以提高再生制动能量回收率和续驶里程。图４．３电动面包车双能量源系统主回路上述研究成果在双能量源系统的设计和应用上进行了开创性探索和实现，但对双能量源质量占整车质量的比例、主辅储能源之间的配置比例、参数匹配的研究较少，以及双能量源系统与车辆动力性能、续驶里程、整车效率之间存在比较复杂的关系。下面以城市公交中巴为研究对象，对双能量源系统的匹配结构选择、主回路设计、参数匹配优化及仿真验证等问题进行深入研究，提高双能量源纯电动汽车的整车性能。４．２电动汽车双能量源匹配结构的分析与选择本节通过分析常见双能量源的并联匹配结构，结合纯电动汽车储能系统的特长安大学博士学位论文点，对双能量源匹配结构进行选择设计，并对其工作原理进行说明。４．２．１双能量源并联匹配结构的分析并联结构形式主要有主辅能量源直接并联、辅能量源单变换器直接并联、主能量源单变换器直接并联以及主辅能量源双变换器并联等四种形式【５ｌ，６１１，如图４．４所示。（囊）主辅能量源直接并联（ｂ）辅能量源单变换器直接并联７刖黑ｂ、ｌ量源１１变换器卜卜、．Ｉ量源１１变换器卜．同网．．网卅．∥∑卜、∥（ｃ）主能量源单变换器直接并联（ｄ）主辅能量源双变换器并联图４．４主辅能量源的并联匹配结构不同并联的匹配结构具有不同的特点，对主辅能量源要求亦不同。图４．４（ａ）结构最简单，要求蓄电池和超级电容具有相同的电压，导致超级电容仅在蓄电池电压发生快速变化时输出和接收功率，从而减弱了超级电容的负载均衡作用。图４．４（ｂ）主能量源与负载直接相连，能量转换效率高；辅助能量源通过双向ＤＣ／ＤＣ变换器连接负载，可以跟踪检测主能量源端电压，辅助能量源端电压使二者匹配工作；由于蓄电池端电压的变化比超级电容的端电压平缓，电压容易实现。图４．４（ｃ）主能量源通过双向ＤＣ／ＤＣ变换器与负荷相连，可以改善主能量源的输出特性，较为适合蓄电池等输出特性软、输出电压变化范围大的主能量源。图４．４（ｄ）的主辅能量源都通过ＤＣ／ＤＣ变换器和负载相连，综合了图４．４（ｂ）和４．４（ｃ）的优点，具有更高的灵活性和电压范围；但相对于图４．４（ｂ）和４．４（ｃ），这种结构复杂，对ＤＣ／ＤＣ变换器及控制策略的要求更高。４．２．２双能量源匹配结构的选择双能量源是纯电动汽车的唯一能量提供者，其结构、匹配参数、电路工作模式、能量管理管理直接决定着整车的动力性能和经济性能。双能量源系统的匹配８ｌ第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配结构选择与设计，应以主辅能量源存储装置的特性为依据，并综合考虑能量转换效率、能量回收效率、瞬时响应速率、ＤＣ／ＤＣ变换器性能、控制难度和系统成本等因素。本文的双能量源分别选择河北保定风帆公司的５５Ｄ２３Ｌ铅酸蓄电池、美国Ｍａｘｗｅｌｌ公司的ＢＣＡＰ３０００Ｐ２７０Ｔ０５超级电容作为主辅能量源，其中蓄电池特性参数见表２．３，超级电容特性参数见表４．２。表４．２美国ＭａｘｗｅｌｌＢＣＡＰ３０００Ｐ２７０Ｔ０５超级电容参数中文名称符号单位参数值单体质量ｍｃｋｇ０．５５单体电容ＣＦ３０００额定电压Ｕ熟ｏｍＶ２．７等效电阻ＲｍＱ０．２９比能量Ｗｈ／ｋｇ５．５２单体容量丘地０．５５最高电压虬懈Ｖ２．８其中，铅酸蓄电池是双能量源纯电动汽车能量的主要提供者，输出电压下降较小，可近似认为电压恒定。对于超级电容，其输出特性变化快，具有高比功率、瞬时放电电流大和充电时间短等特点，但其具有比能量低的缺点，输出电压下降很快，需要使用ＤＣ／ＤＣ功率变换器对其输出特性进行调整，这也有利于降低超级电容的配置成本。因此，我们选择图４．４Ｃｏ）所示结构设计纯电动汽车的双能量源系统。图４．５为纯电动汽车蓄电池．超级电容双能量源系统的功率流模型，该模型描述了蓄电池、超级电容以及驱动系统之间功率流的输入输出关系。其中，气、乞分别为蓄电池和超级电容的输出功率，它们既能对外输出功率，也能回收再生制动能量：双能量源系统提供的功率‰由蓄电池功率％和超级电容功率气组成，气和匕的大小则由蓄电池、超级电容自身的容量特性及功率总线需求功率确定：蓄电池到超级电容ＤＣ／ＤＣ变换器的单向箭头表示超级电容能量不足时，蓄电池可以对超级电容进行单向充电以保证超级电容在纯电动汽车加速和爬坡时能够为其提供相应的能量。长安大学博士学位论文ｉ甩疆。功率需求Ｎ／ｒ、ｉ电旭卜、ｙ蓄电池／１输出功率‰ｙ控ｔ需求功率卜＼制策略／１’超级电容功率需求怛懦卜ｉ∑骞际输出功率气＼＾ｗＵ’【ｒ格纽电容∥输出功率凡图４．５蓄电池－超级电容双能量源系统当纯电动汽车起动或行驶时，双能量源对外输出功率，电机对外输出转矩，为汽车提供动力；当汽车制动时，通过驱动轮将电机变为发电模式，并给双能量源充电。具体而言，蓄电池．超级电容双能量源系统主要分为以下工作模式：（１）蓄电池单独给电机供电且可给超级电容充电。电动汽车正常行驶时，所需功率较小，主要用来克服滚动阻力功率和空气阻力功率。此时，蓄电池对外输出功率和能量，同时为了保证超级电容能够提供车辆起动以及车辆加速、爬坡所需的功率和能量，蓄电池通过功率变换器可对超级电容充电。，（２）蓄电池和超级电容共同给电机供电。电动汽车加速或爬坡行驶时，所需要功率较大，持续时间较长。蓄电池单独提供能量对电池损害较大，超级电容单独提供能量并不能满足需求，或者ＳＯＣ会很快下降到最低，因此可通过蓄电池和超级电容共同对外输出功率和能量。（３）制动产生能量给双能量源充电ｉ电机工作于再生制动状态时，能量通过功率变换器流向存储系统，通过判断存储单元ＳＯＣ对能量进行分配。优先对超级电容充电，若超级电容已充满，剩余能量由蓄电池存储。４．３电动汽车双能量源存储系统的主回路设计蓄电池．超级电容双能量源系统的主回路分为正向电动／再生制动两象限工作的半桥型电机驱动电路、作为接口电路连接超级电容与电机驱动电路的双向ＤＣ／ＤＣ变换器两大部分，主要用于实现电机驱动与再生制动能量回收的控制。本节给出蓄电池．超级电容双能量源存储系统的主回路设计，并对其工作原理进行分析。４．３．１双能量源系统主回路设计纯电动汽车的双能量源系统采用ＤＣ／ＤＣ变换器将超级电容和蓄电池并联起来，通过控制开关管的占空比可以使超级电容的输出电压与蓄电池保持一致，并８３第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配可以在电动汽车下坡或减速时实现再生制动，加速或爬坡时实现两者共同供电［５９１。其基本电路结构如图４．６所示。ＤＣ／ＤＣ变换器在电动汽车不同的行驶工况下处于不同的工作状态，当电动汽车处于电动运行状态时，能量经由电机控制器传输到驱动电机，最终到达驱动轮，驱动汽车前进；当电动汽车处于再生制动运行状态时，能量经由电机控制器由驱动轮传递到双能量源中的超级电容和蓄电池，实现对制动能量的回收。５‰＜％『啊２∑惕“＜ｆ２ｌ嘲仉‘Ｂ岛■吃＝－ＵＰ＜。’Ｉ２ｓ饿％半％÷２∑Ｉｏ，≤图４．６双能量源系统主回路４．３．２双能量源系统的主回路工作原理分析根据双能量源纯电动汽车的行驶工况，双能量源系统主回路分为６种工作状态，如表４．３所示。表４．３系统工作状态表工作状态啊ＶＴ２％飓主要功能ｌＰ、ＭⅥ０ＯＯ蓄电池单独给驱动电机供电２ＰＷＭ０ＯＰＷＭ超级电容和蓄电池同时给驱动电机供电３０ＰＷＭＰＷＭ０再生制动过程中，优先给超级电容充电４ＯＰｗＭＯＯ再生制动过程中，给蓄电池充电５ＯＯＰＷＭＯ系统启动后。给超级电容充电６Ｏ０ＯＰ、ＭＭ检修或者停车时给超级电容放电工作状态ｌ：蓄电池单独给驱动电机供电。电动汽车匀速行驶过程中，当电机要求驱动电流不大或者超级电容储能不足时，可由蓄电池给驱动电机单独供电。此种工作状态下，通过调制啊对电动机进行降压调速控制，啊关断瞬间电流通过二极管ｖＤ，进行续流，如图４．７中回路①示。长安大学博士学位论文】％卡啊’①Ｚ∑惕以·—ｋ侈Ｚ∑喝以‘焉￡｜土：Ｉ＝．ｕ吣吃１２王峨％芊‰＜毛ｊＺｓ嗡廷Ｉ：ｌ图４．７双能量源系统主回路工作状态２：蓄电池和超级电容共同给驱动电机供电。电动汽车在爬坡或加速时，要求大电流驱动，此时啊和％同时受ＰＷＭ调制，蓄电池和超级电容共同给电机供电，如图４．８中回路①、②示。当嘎受ＰＷＭ调制时，在图４．８回路③中将超级电容电压通过ＢＯＯＳＴ电路升压后给电感厶存储能量。共同供电时，电感厶存储能量通过阻与蓄电池共同受啊调制给电机供电，当啊关断瞬间电机电流可通过二极管哆进行续流。‘］‰＜啊一①啊Ｚ∑惕，卜‰＜Ｚ∑啊：仉‘、弓。一一一与｜－一．．一、●：⑦１嘎＝。Ｕ—＜圮＠卜、Ｚｓ吼１％＝一％＜Ｚ土咀延图４．８蓄电池和超级电容共同供电工作状态３：再生制动过程中，优先给超级电容充电。在下坡或减速时，电动机工作在发电模式下，％、强共同受ＰＷＭ调制优先对超级电容进行充电。图４．９中回路②为ＢＯＯＳＴ升压电路，通过调制％的导通给电机电感储能。％截止时电机电感上存储的能量通过嘲给超级电容充电，如图４．９中回路①示。当强截止瞬间电感￡。上电流通过二极管ＶＤ４进行续流。给超级电容充电时应实时检测超级电容两端的电压，当超级电容充电饱和后，回路切换为工作状态４。第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配图４．９再生制动过程中，优先给超级电容让充电工作状态４：再生制动过程中，当超级电容充满后，给蓄电池充电。图４．１０中回路②为ＢＯＯＳＴ升压电路，通过调制％的通断给电机电感储能，％截止时电机电感上存储的能量通过啊给蓄电池充电，如图４．１０中回路①示。‘Ｉ：％①圯］ｊｒ嘁２ＳＶＤｊ％＜Ｚ王喝以‘焉岛■既嘎＝ＩＵＰ＜。２ＩＶＤ＋％；＝‰卡⑦２∑嘎：Ｑ：▲石－ｌ图４．１０再生制动过程中，给蓄电池充电工作状态５：系统启动后，给超级电容充电。系统启动以后，为了提高汽车的爬坡和加速能力，通过ＰｗＭ调制喝给超级电容预充电，如图４．１ｌ中回路①示。当喝截止瞬间电感岛上电流通过二极管吼进行续流，如图４．１１中回路②示。图４．１１系统启动后，给超级电容充电工作状态６：检修或者停车时给超级电容放电。在电动汽车检修和停车时，通过调制喝对超级电容进行放电，如图４．１２回路①示。长安大学博士学位论文啊啊］Ｕ文２∑惕Ｕｏ．＜Ｚｌ喝仉‘焉￡譬厶吃①１＝ＵＰ＜～：Ｚ∑ＶＤ４批＝＝Ｕｏ，＜嘎Ｚ∑ＶＤ＝延·◆图４．１２检修或者停车时给超级电容放电４．４双能量源系统的参数匹配针对纯电动汽车的使用要求，基于汽车行驶方程对纯电动汽车的双能量源存储系统进行分析，通过理论计算推导出满足各项需求的蓄电池、超级电容匹配组合方式，并对双能量源系统的匹配参数进行计算【５５．６３１。４．４．１双能量源系统的理论计算１．续驶里程计算按照城市工况的行驶要求，在满载及正常天气等情况下，纯电动汽车在水平道路上以４０ｋｍ／ｈ匀速行驶，按照８０％的能量消耗效率，应当保证电动汽车的续驶里程在１２０ｋｍ以上。因为电动汽车在水平道路上匀速行驶，其爬坡阻力、加速阻力均为０，从而电动汽车以Ｖ＝４０ｋｍ／ｈ行驶Ｓ＝１２０ｋｉｎ里程的动能及克服阻力做功可以表示为：形２赢【（弓＋Ｆｗ）Ｓ×１０００】＝志№∥＋黑）×Ｓｘｌ０００】≤Ｅｒｌｍｔｌｒ其中，％、￡和厂分别为整车质量、双能量源的有效输出能量及滚动阻力系数，满足：ｍｏ＝ｍｄ＋ｍｂ刀６＋ｍｅ心（４．１）Ｅ＝（毛ｍｂｎｂ＋Ｅｃｍｃｎ。）×８０％（４．２）ｆ＝０．００７６＋０．００００５４Ｖ（４．３）在公式（４．１）、（４．２）中，％和％分别表示蓄电池和超级电容的数目。假设８７第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配蓄电池数目的备选区间为（０，１００］，超级电容数目的备选区间（０，３００］。代入相关数据，得满足续驶里程要求的蓄电池和超级电容匹配方式分布如图４．１３示。／’挟驶里程需求下界图４．１３满足续驶里程的蓄电池．超级电容匹配分布在图４．１３中，当蓄电池．超级电容匹配组合方式处于曲线右上侧时，可满足双能量源纯电动汽车的续驶里程要求。２．加速能力计算图４．１４为双能量源纯电动汽车的驱动力．行驶阻力平衡图，其中驱动力、行驶阻力均通过拟合计算得出。为了达到最佳的加速效果且便于计算，图４．１４中将换挡时机选择在各档位驱动力曲线的拐点处，此时也可保证电机输出转矩为额定值。图４．１４驱动力－彳亍驶阻力平衡图根据城市工况的行驶要求，在满载及正常天气等情况下，纯电动汽车在水平道路上原地起步加速Ｏ－３２ｋｍ／ｈ时间小于１８ｓ，超车加速３２ｋｍ／ｈ．５０ｋｍ／ｈ时间小长安大学博士学位论文于２２ｓ，原地起步加速０－５０ｋｍ／ｈ时间小于４０ｓ。这样，纯电动汽车运行于水平道路，行驶阻力方程（２．１）简化为：Ｅ＝％矿＋黑＋万％羔可得：击：————塑Ｌ—可ｄｙ３．６×ＣＦ，－％矿一黑）令■、ｖ２表示纯电动汽车加速过程中的初始值和最终值，ｔｏ表示加速时间上限，则加速时间满足：ｒ＝；石ｃ—ｄｙ≤气（４．４）在不考虑储能源输出功率约束的条件下，假设蓄电池的备选区间为（０，ｌＯＯ］，力需求的蓄电池．超级电容匹配方式分布如图４．１５示。血錾鬟图４．１５满足加速能力的蓄电池．超级电容匹配分布根据图４．１５，要使双能量源纯电动汽车满足加速能力要求，蓄电池．超级电容的匹配方式必须处于三条曲线中的左下方。３．爬坡能力计算超级电容的备选区间（０，３００］，在公式（４．４）中代入相关数据，可得满足加速能第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配根据城市工况的行驶要求，在满载及正常天气等情况下，纯电动汽车一档爬坡度大于２０％（或１１．３０），三档爬坡度大于３％（或１．７０）。此时，电动汽车在给定档位匀速爬坡，行驶方程（２．１）简化为：互＝％旷ＣＯＳｇ－＇１－可ＣｏＡ百Ｖ２·Ｉ－ｍ，，ｇｓｉｎ口（４．５）在一档爬坡时，我们选择３２ｋｍ／ｈ进行匀速爬坡，按照图４．１４此时驱动力为９４０２．５Ｎ。在三档爬坡时，选择８０ｋｍ／ｈ进行匀速爬坡，此时驱动力为２７５９．３Ｎ。从而，在不考虑储能源输出功率约束的条件下，假设蓄电池的备选区间为（０，１００］、超级电容的备选区间（０，３００］，在公式（４．５）中代入相关数据并考虑爬坡度上限，可得满足爬坡能力需求的蓄电池．超级电容匹配方式分布如图４．１６示。皿蚕要图４．１６满足爬坡能力的蓄电池．超级电容匹配分布根据图４．１６，要使双能量源纯电动汽车满足爬坡能力要求，蓄电池．超级电容的匹配方式必须处于两条曲线中的左下方。４．最高车速计算根据城市工况的行驶要求，水平路面上最高车速应能达到８０ｋｍ／ｈ，对应档位为三档。此时，存在如下不等式：Ｆ，＞＝ｍｏｇｆ＋酉ＣｏＡ百ｌ，＂２（４．６）综合图４．１３、图４．１５、图４．１６所得的蓄电池．超级电容匹配区间。在不考虑长安大学博士学位论文储能源输出功率约束的条件下，区间内的所有匹配方式均满足不等式（４．６）。即在满载及正常天气等情况下，满足续驶里程、加速及爬坡要求的双能量源纯电动汽车在水平道路上最高车速高于８０ｋｍ／ｈ。通过上面的理论计算和分析，可以得到如下结论：（１）比较图４．１５和图４．１６，加速需求上界曲线、爬坡需求上界曲线在倾斜部分基本平行，其原因在于：不同的加速时间及坡度要求对应于不同的储能源系统总质量上界，根据式（４．１），正好组成蓄电池个数、超级电容个数之间的一个线性关系。（２）比较图４．１３和图４．１５、图４．１６可以发现，在电机输出功率达到最大功率之前，增加储能源数目，既能提高车辆的动力性能，又能增加车辆的续驶里程。但是，当电机输出功率达到最大功率时，增加储能源，电动汽车续驶里程增加，由于电机转矩特性，输出转矩不再增加，动力性能反而因为整车质量增加而趋于下降。因此，综合考虑汽车经济性、动力性指标，电机功率饱和点可以看作是动力性能的最优点。４．４．２基于理论计算的双畿量源参数匹配双能量源系统可以把蓄电池和超级电容各自的优势相互结合，使系统整体性能不受某一单方面因素的制约。通过适当的匹配，可以保证电源的性能优良、成本合理，且最大限度地满足整车动力性、续驶里程、再生制动等性能指标。蓄电池是纯电动汽车能量的主要提供者，其瞬时能量输出能力有限，但可以提供长期、恒定的能量输出：为了有效地利用蓄电池，选用蓄电池组成串并联方式。超级电容瞬时能量输出能力强，总能量少，主要起到“削峰填谷”的作用，也选用串并联方式。１．蓄电池参数确定（１）．蓄电池串联单体数量确定根据表２．２、表２．３，双能量源纯电动汽车电机的额定电压为２１０Ｖ，每块蓄电池的额定电压为１２Ｖ，因此蓄电池串联块数下限为２１０／１２＝１７．５１８。这里，根据图４．１的双能量源主回路电路，并考虑到蓄电池的放电深度影响，蓄电池组输出电压应稍高于电机额定电压。因此，我们选择２０块电池组成串联组，串联最高电压为１３．８×２０＝２７６Ｖ，低于电机最高电压。９１第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配（２）．蓄电池单体容量范围确定根据表２．２、表２．３，双能量源纯电动汽车电机的额定功率为４０ｋＷ，每块蓄电池的最大放电电流为３００Ａ。考虑到蓄电池的最佳工作电流及电机额定电流，假定蓄电池的理想工作电流为１５０Ａ。因此每个串联组的总体功率为１２ｘｌＳ０ｘ２０＝３６０００Ｗ＝３６ｋＷ，低于电机额定功率需求。同时，根据图４．１３、图４．１５、图４．１６基于经济性、动力性测试得到的匹配需求曲线，我们选择３组蓄电池串联组进行并联，共需蓄电池２０ｘ３＝６０块。２．超级电容参数确定（１）．超级电容器串联单体数量确定类似地，根据图４．１的双能量源主回路电路，并考虑到超级电容的成本因素，超级电容组的输出电压应低于蓄电池组最低电压。以每块蓄电池最低电压８Ｖ粗略计算，蓄电池组的最低输出电压为８０ｘ２０＝１６０Ｖ。根据表４．２，每节超级电容单体最高电压为２．７Ｖ，可得超级电容单体串联数量上限为１６０／２．７＝５９．３。因此，我们选择５５块超级电容组成串联组，串联最高电压为２．７ｘ５５＝１４８．５Ｖ。（２）．超级电容单体容量范围确定根据表４．２，每块超级电容的峰值功率为１３．８ｘＯ．５５＝７．５９ｋＷ，考虑到超级电容的工作状态特点，其平均功率约为４．５ｋＷ，根据双能量源纯电动汽车电机起动的最大功率需求（约１５０ｋＷ），最少需要超级电容个数为１５０／４．５＝３３．３３。同时，Ｏ．５５＝３．０３Ｗｈ，考虑超级电容的放电效率，则要求（约ｌＯＯＷｈ），共需超级电容数目为１００／２．５＝４０。因此，单组超级电容串联结构已经可以满足上述峰值功率和容量要求。但是，考虑到超级电容应有一定的ｘ２＝１ｌＯ。通过上节理论计算，确定的蓄电池、超级电容匹配方式为２０ｘ３和５５ｘ２。但每块超级电容的能量容量为５．５２ｘ超级电容的能量容量约为２．５Ｗｈ，根据汽车的原地起动并加速到一定车速的能量余量，故选用两组超级电容进行并联，其总数目为５５４．５基于ＡＤＶＩＳＯＲ的双能量源系统的匹配优化与校验是，这一参数匹配方式是否能够使纯电动汽车的经济性、动力性等性能达到综合最优，本节通过修改ＡＤＶＩＳＯＲ软件的纯电动车单能量源参数匹配算法，对纯电动汽车双能量源系统的参数匹配进行综合优化。长安大学博士学位论文４．５．１ＡＤＶＩＳＯＲ纯电动车单能量源参数匹配算法简述ＡＤＶＩＳＯＲ是一款针对纯电动汽车、传统汽车、燃料电池汽车等车型的能量流分配后向式汽车仿真软件。在ＡＤＶＩＳＯＲ中，可以通过设置加速能力需求、坡度能力需求并给定参数取值范围，对纯电动汽车的单能量源数目进行基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真的自动匹配，使其在性能上达到最优配置，其算法为：（１）利用蓄电池数目初值进行坡度、加速度匹配测试；（２）若上步中坡度测试不成功，在蓄电池数目范围中利用二分法寻找满足坡度要求的蓄电池数目；若不存在，算法结束，否则转（３）；（３）若第（１）步中加速测试不成功，在蓄电池数目范围中利用二分法寻找满足加速要求的蓄电池数目；若不存在，算法结束，否则转（４）：（４）根据第（３）步得出满足加速要求的蓄电池数目调整电机控制模块，然后在该数目的基础上逐块递减，寻找满足加速要求最小的蓄电池数目；（５）在坡度测试结果与加速测试结果不一致的情况下，循环执行下列过程：（５．１）根据加速测试结果精化蓄电池选择范围，利用二分法进行坡度测试：（５．２）若坡度测试结果与加速度测试结果不一致，根据坡度测试结果精化蓄电池选择范围，利用二分法进行加速测试，其间需要相应调整电机控制模块。（６）返回匹配优化结果，算法结束。在上述算法中，考虑到每次二分测试都需要循环执行Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真，每次仿真的耗时较长，为了对总的执行时间进行控制，ＡＤＶＩＳＯＲ对每次二分测试的二分循环次数进行了。因此，算法输出结果只是蓄电池数目配置的近似最优值。４．５．２针对双能量源的ＡＤＶＩＳＯＲ仿真匹配算法本文的纯电动汽车使用蓄电池．超级电容双能量源，但ＡＤＶＩＳＯＲ的能量源匹配算法并不支持这一功能。对此，在ＡＤＶＩＳＯＲ面向纯电动汽车ＥＶ的原有算法的基础上，我们通过如下途径进行修改：首先，将能量源选择范围进行修改，同时包含蓄电池、超级电容数目允许的上下界以及蓄电池、超级电容上下界中可行的串并联模式。比如，以４．５．１节的９３第４章蓄电池．超级电容双能量源系统设计与参数匹配６０块蓄电池、１１０块超级电容作为匹配初始值，并参考图４．１３、图４．１５、图４．１６的约束条件，对蓄电池、超级电容数目的上下界分别设定为［５０，７５］、【１００，１４０］，蓄电池的备选串并联方式为（１８—２４）×３，超级电容备选串并联方式为（５０－７０）×２。图４．１７即为经过改造的ＡＤＶＩＳＯＲ参数匹配条件的录入界面。Ａｕｔｍｉ∞ＭｅｔｈｅｄＳｅｌｅｃｔｉｏｎ分Ａｔ如ｅｉｚｅｕ·蛔Ｍ副ａｂｒＡｕｔｏ斑ｅｕ如Ｖｍｕ＊ＯＯＣ咖ｅｉｎｔ，罗６ｌａｄｅ。．！唑！也。Ｉ矽触｜ｉｍ＾耐蝴＋：ｌＤ∞ｉｇｎＶＩｉａＨ∞Ｖ—ｉ曲ｂＮａｍｅＩｎｉｔｉ■Ｖａｌｕｅｂ，ｗ童ＢｏｕｎｄＯｌＸａｅ＊ＢａＪ＇ｄＩ－－矗一ｆｏｎ洲｝Ｐｌ旷毒ｉ；矽ＥＳＳＩ＃ｍ叫叫∥ＥＳＳｐａｔｔｅｍ黟ＥＳＳ２（＃ｍｏｄｕｌｅｓ）矽ＥＳＳ矿Ｍｏｔｅ，Ｓｂ删２∞ｎ鲋协几碗而秀西厨砑砭秀丽广丽一广百一厂丽一广Ｌｌ“＿ｔ，８｛·沱ＢｒＣｆｌｒＨ对，ｅ：，’《一、ｔ’ｉ：ｉｊ矽Ｆｍｌ０ｆｉｖｅＲｅｌｉｏ哪赢却ｎｅｅｄ［ｋａＶｈ）广而：ｒ０崎眦黼矿｝：帅。口砖！：，ｏ一煳ＩＪ囊Ｉ、￡∥广’？ｅ抽Ｉ－Ｍ驰？舯－ｊ＾Ｋｅ｛ｔ－ｃ删粕哪￡ａＩ’｝埘１鲥Ｆｆ砝Ｅｔ耵ｔ』｝Ｈ倒．’，ｍ驯ＶｉａｕｌＤＯＣ０ｐｔｉｍｉｚａｔｉ佣ＰａＩａｍｅｔｅ，，Ｄｅ霉狮ｑｄ婊０眦撕ｍＭｅｔｈｔＩ吐ｒ＃越曲垮￡，§搿·Ｋ了，：ｒＭｈｆ＿Ｍ量ｆ‘■ｑＰ岔ｓ０Ｐ。Ｒｅ＊ｌ姗ｅ鬟时蚴却纠ａ面删们ｍ酬吲＿ｂｅｍｅｃｔ璺鲤ｊ旦！曼型竖目璺竺！坠ｊ坚竺Ｉ图４．１７ＡＤＶＩＳＯＲ软件双能量源参数匹配录入界面其次，将ＡＤＶＩＳＯＲ原二分指标修改为可用总能量，其计算方法见公式（４．７）。此外，对于每一个当前总能量，往往对应于多个不同的蓄电池、超级电容匹９４这样，在算法执行前，先根据蓄电池、超级电容上下界计算出总能量上下界。然后，在每次二分加速、坡度测试循环中，若测试通过，则将当前总能量值看作上晃，通过上下界平均重新计算新的当前总能量值；若测试不通过，则将当前总能量值看作下界，上下界平均重新计算新的当前值：在总能量上下界差异很小或者二分循环次数超过设定值后终止循环。配方式，由于两种能量源的储能、质量差异，不同匹配方式对应的双能量源总质量以及汽车总质量必然不同。在这种情况下，使用双能量源系统的总能量、总质长安大学博士学位论文量比值对不同匹配方式进行衡量，比值越大则匹配越优。在每步二分循环中，以蓄电池的备用串并联方式为约束，选择满足总能量要求的最优匹配作为当前匹配。在开源的ＡＤＶＩＳＯＲ２００２软件中，我们基于上述思路对ＡＤＶＩＳＯＲ仿真匹配算法进行了修改，具体修改细节见６．３节。通过仿真优化，得到如下的优化结果ｔ蓄电池数目为１９ｘ３＝５７，超级电容数目为５３ｘ２＝１０６。４．５．３匹配优化结果及分析下面，对最终确定的蓄电池．超级电容匹配方式对应的经济性、动力性等效果进行总结，并对该匹配进行仿真校验，其结果如表４．４示。表４．４选定蓄电池．超级电容匹配方式（１９ｘ３，５３ｘ２）性能参数取值参数取值参数取值蓄电池输出电压（Ｖ）２２８蓄电池总容量（ｋＷｈ）４１．０４超级电容最大功率（ｋＷ）８０４超级电容总容量（ｋＷｈ）Ｏ．３２储能源总质量（ｋｇ）７７０储能源空载２３４０ｋｍ／ｈ续驶里程（ｋｍ）１７４．５计算最高车速（㈨）质量比重（％）满载１７．７加速０．３２ｋｍ／ｈ１７．３１１５．７时间（ｓ）３２．５０ｋｍ／ｈ２１．０一档２１．３０．５０ｋｍ／ｈ３８．３爬坡度（％）＝档３．０３可见，根据ＡＤＶＩＳＯＲ仿真所得到蓄电池和超级电容的串并联组合方式１９ｘ３和５３ｘ２为最佳匹配，达到了设计目标要求。４．６本章小结本章首先对电动汽车双能量源系统的研究现状进行了总结，通过分析常见蓄电池．超级电容双能量源系统的匹配结构，结合纯电动汽车储能系统的特点，选择并联结构对本文纯电动汽车双能量源存储系统主回路进行设计，并对其工作原理进行了详细分析。然后，基于汽车行驶方程建立了双能量源纯电动汽车续驶里程、加速时间、爬坡度、最大车速等的理论计算方法，并对双能量源纯电动汽车的超级电容．蓄电池双能量源系统进行了参数匹配设计。进而，通过扩展和实现ＡＤＶＩＳＯＲ仿真软件的汽车参数匹配算法，对双能量源纯电动汽车的超级电容．蓄电池双能量源匹配结果进行了优化，并对匹配结果进行了校验。第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略在蓄电池．超级电容双能量源纯电动汽车的行驶过程中，蓄电池提供电动汽车行驶时所需的平均功率，超级电容提供瞬时峰值功率。在前述双能量源参数匹配的情况下，双能量源电动汽车优化控制策略的目标是：在保证整车动力性的前提下，使蓄电池功率输出尽可能保持恒定和平滑，超级电容充分发挥峭０峰填谷”的作用，减小大电流对电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命，提高能量源的充放电效率，最大限度地回收整车制动能量，从而改善纯电动汽车的动力性能和经济性能。本章主要对双能量源纯电动汽车的优化控制策略进行研究，重点解决双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制策略、双能量源纯电动汽车再生制动力分配模糊控制策略和能量管理的模糊优化控制策略等问题，旨在制定适合双能量源中各部件工作的控制策略，使所配备的各部件都能各尽所能、扬长避短。５．１模糊控制的理论基础传统控制方法（含经典和现代控制理论）均要求建立被控对象的精确数学模型，随着系统复杂程度的提高，将很难建立系统精确的数学模型。人们进行了各种尝试以期望得出一种简便灵活的描述手段和处理方法，结果发现对于传统控制理论难以实现的任务，却可以由熟练的操作人员凭其丰富的实践经验，采取适当的对策来巧妙地控制一个复杂过程，并得到满意的控制效果。因此如何把这些熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，形成一种定性的、不精确的控制规则，并将这些规则植入计算机，使其具有模拟人类思维的能力，是广大科学家追求的目标，模糊控制则是实现这个目标的有力工具。目前，模糊控制（ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒ０１）尚无统一的定义，从广义上可将模糊控制定义为“以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它从行为上模仿人的模糊推理和决策过程”。模糊控制的理论基础是美国加利福尼亚大学著名教授Ｌ．Ａ．Ｚａｄｅｈ于１９６５年提出的模糊集合论：１９７４年，英国剑桥大学Ｅ．Ｈ．Ｍａｍｄａｎｉ教授首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。此后，模糊控制在家用电器、工业控制、专用系统等复杂、非线性和不确定系统中得到了广泛的应用【６５１。模糊控制器的组成框图如图５．１示，由４部分组成，分别是：长安大学博士学位论文（１）模糊化接口（ＦｕｚｚｙＩｎｔｅｒｆａｃｅ），将精确输入量转换成模糊量。在实际应用中，控制器的输入是精确值，所以必须将其转换为推理机制所要求的模糊量。（２）知识库（ＫｎｏｗｌｅｄｇｅＢａｓｅ），由数据库和规则库两部分组成。数据库存放所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值。规则库基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，是按人的直觉推理的一种语言表示形式。（３）推理机制（ＩｎｆｅｒｅｎｃｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ），是模糊控制的核心，它利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出合适的控制量；并根据模糊输入，寻找和应用相应规则，获得模糊控制结论的功能部分。（４）解模糊化接口（ＤｅｆｕｚｚｙＩｎｔｅｒｆａｃｅ），将模糊输出量转换成精确量，用于实际控制。精确输入ｌ数据库ＩＩ规则库ＩＩｌ精确输出知识库乃＂１ｒ１『描蜘础丛ｙ２模糊解模糊化化接口俣硼捅八，Ｉ模糊推理ｆ”””‘，接口～图５．１模糊控制器的组成框图模糊控制是根据操作者的经验而非系统的行为参数，非常适用于诸如在被测数据不确定、要处理的数据量过大以致无法判断其兼容性、被控对象复杂可变甚至无法得到被控对象精确模型等场合。在传统控制系统中，参数或控制输出的调整是对一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来实现的，而模糊控制器参数或控制输出的调整则利用过程函数的逻辑模型产生的规则来进行。改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则，通常模糊控制规则是通过将人的操作经验转化为模糊语言形式来获取的。本章中的模糊逻辑控制策略主要用于双向ＤＣ／ＤＣ变换器控制、纯电动汽车制动力分配和能量管理优化的控制中，相比传统控制方式，它有以下优点：（１）无需建立被控对象的数学模型。纯电动汽车双能量源系统影响因素较多，参数复杂多变，很难建立一个精确的数学模型对其进行描述。模糊控制以人对被控系统的控制经验为依据，通过相应的逻辑规则来设计控制器，故无需建立第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略被控对象的数学模型。（２）可方便描述不同因素的影响。纯电动汽车双能量源系统可以视为一个多输入多输出的非线性系统，采用模糊控制能逼近任意的非线性映射，达到满意的控制效果。（３）鲁棒性好。在测量不精确和部件特征有变化时，无论被控对象是否线性，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。５．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制第四章设计了适用于双能量源的双向ＤＣ／ＤＣ变换器电路结构，并对其工作原理进行说明和分析，本节将建立其电动运行和再生制动状态下的数学模型，并进行控制策略的分析和模糊自调整控制器的设计。５．２．１双向ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型１．电动运行状态下双向ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型电动汽车在电动运行状态下，蓄电池单独或者与超级电容共同为电机驱动系统提供能量输入。（１）蓄电池单独驱动电机的电路结构如图５．２所示Ｉ帕图５．２ｌ＋以￥啊嚷Ｚ∑Ｅ堑Ｔ、电动运行状态下雷电池单独驱动电机的电路结构当啊导通时，回路的电压平衡方程为：％一Ｅ＝哮＋（吃＋咒）‘电阻，Ｒ为蓄电池内阻，屯为电枢回路电流。（５．１）其中，％为蓄电池电压，Ｅ为电机反电势，三为电机电枢电感，尼为电机电枢当啊关断时，电机电枢电流通过二极管嘎续流，回路电压方程为：Ｅ＝三宰ｔ／ｔ＋兄‘（５．２）（２）蓄电池和超级电容并联共同为电机电路供电的电路结构如图５．３示。长安大学博士学位论文图５．３电动运行状态下蓄电池和超级电容并联共同驱动电机的电路结构当啊开通，％·喝截止时，回路电压平衡方程为：％＝兄屯“警“％＝忍之＋厶鲁＋虬铲％：ｌ∽警（５．３）卜～’乇＝半喝开通，啊·隅均截止，超级电容和电机电枢均通过续流二极管续流，电压平衡方程为：ｏ＝兄屯＋上等＋Ｅｏ＝Ｒ．ｉｏ，，，＋Ｌ，ｄ讲ｉｃ·ｍ沛警（５．４）卜“’‘＝警２．再生制动状态下双向ＤＣ／ＤＣ变换器数学模型电动汽车再生制动状态下，优先将再生能量回馈给超级电容，超级电容充电完成后，再将剩余的能量回馈给蓄电池。（１）超级电容充电的过程如图５．４示第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略图５．４再生制动状态下超级电容充电的电路结构当嘎导通时，回路的电压平衡方程为：弘％＝（“厶）鲁＋（Ｒ＋咫）‘（５．５）当嘎截止时，电感厶存储的能量经过阻进行续流，续ＮＮＮｒｇＥ，，方程为：岛鲁＝％Ｒｓ一％此时，电压方程为：（５．６）当喝截止的同时，％受ＰＷＭ调制导通，将能量存储在电机电枢电感三上，Ｅ：三鱼＋Ｒ‘ｄ）７．５（ｔ（２）蓄电池充电的过程如图５．５所示图５．５再生制动状态下蓄电池充电的电路结构当％截止时，回路的电压平衡方程为：Ｅ＝上等＋（兄＋兄）毛＋玩（５．８）当％导通时，将能量存储在电机电枢电感三上，回路的电压平衡方程为：Ｅ＝￡鲁＋尼‘３．系统启动后，给超级电容充电数学模型ｌ∞（５．９）长安大学博士学位论文系统启动后，为了保证超级电容有足够的能量辅助电动汽车加速和爬坡，首先需要给超级电容预充电，充电电路如图５．６所示。图５．６系统启动后给超级电容充电电路结构当喝导通时，回路的电压平衡方程为：毛一％＝ｉｏＣＲｓ＋Ｒ）＋厶鲁（５．１０）当喝截止时，电感ｔ存储的能量经过峨进行续流，续流回路电压方程为：岛鲁一之岛一％（５．１０４．检修或者停车时给超级电容放电数学模型检修或者停车时需要给超级电容放电，放电电路如图５．７所示。图５．７检修或者停车时给超级电容放电电路结构当嘎导通时，回路的电压平衡方程为：％＝岛鲁＋屯Ｂ（５．１１）５．２．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器控制策略分析（１）电动状态的控制策略电动汽车电动运行状态下，蓄电池单独或与超级电容并联为驱动系统供电，此时ＤＣ／ＤＣ变换器的作用是将超级电容的输出电压变换到与蓄电池的输出电压相一致，与蓄电池共同为驱动电机提供驱动能量【７＂３１。采用闭环电压反馈来调节第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略ＤＣ／ＤＣ变换器的输出电压，其电路控制结构如图５．８所示。给定电压与输出反馈电压比较后经电压调节器调节ＰＷＭ的占空比，通过控制喝的通断实现对超级电容的输出电压的控制。‘卜图５．８电动状态时电压控制策略电压控制策略如图５．９所示。给定电压％与输出电压圪的偏差Ｐ（ｓ）作为电压调节器Ｃ（ｓ）的输入，电压调节器输出占空比口（Ｊ）经限幅与三角波相减后输出ＰＷＭ信号，通过控制ＩＧＢＴ的通断来调节输出电压，矽为三角波幅值。严怔刊半ｐ圈碍图５．９电压控制策略原理（２）再生制动状态的控制策略电动汽车工作在再生制动状态下，储能元件被充电，相当于负载。电机工作在发电运行状态，相当于电源【７４１。考虑到大电流对储能源和开关器件的冲击，采用闭环恒流控制策略，避免因充电电流过大而损坏器件。当检测到超级电容充电完成后，再将剩余的能量充给蓄电池。其电路控制结构如图５．１０、５．１ｌ所示。给定电流与反馈充电电流比较后经电流调节器控制ＰＷＭ生成器输出的ＰＷＭ占空比，通过调节开关管的通断实现对充电电流的控制。长安大学博士学位论文盱】带％ＺＩｖｏ，ｕｏ．卡２∑ｖｏ，ｃ，，＿心岛－％：￥２Ｓ一，ＪＶＤ，儿一最＾黜毒给定二ｌ车‰毒ｒｈ‰＿２Ｓｖｏ，ｑ１卜图５．１０再生制动状态时超级电容充电电流控制策略图５．１１再生制动状态下蓄电池充电电流控制策略与电压控制策略相似，电流控制策略如图５．１２所示：泸ｐ半Ｐ恒阿图５．１２电流控制策略从上面的论述可以看出，无论是电动状态的电压控制策略还是再生制动状态的电流控制策略，都是控制器通过给定值与反馈值的偏差来调节开关管ＩＧＢＴ的触发信号的占空比，即ＰＷＭ来进行控制。５．２．３双向ＤＣ／ＤＣ变换器的模糊自调整控制器设计由于电动汽车行驶工况复杂，其双向ＤＣ／ＤＣ变换器模型参数的变化也相应频繁，对于固定模型的传统控制来说，就无法跟随外界的变化做出相应调整，从而不能达到较好的控制效果。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，而１０３第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略是凭经验“直观”地进行控制，且对被控对象的参数变化不敏感，具有较强的鲁棒性，通常利用专家的知识和经验，通过模糊逻辑推理实现对系统的控制。然而单一的模糊控制也存在问题，在接近稳态时，模糊控制器产生小幅振荡，也就是说其稳态时控制效果较差。因此，可以将模糊和ＰＩ控制相结合，各取所长，将这种复合控制方法运用到电动汽车的能量回收控制中，会得到更好的控制效果【７别。在系统参数变化及非线性情况下，传统Ｐ１Ｄ控制很难保持设计时的性能指标，而模糊控制器不需要被控对象精确的数学模型，在一定程度上克服了系统变参数及非线性等不利因素，其动态响应具有较快的收敛性，但稳态时系统会出现震颤现象。本文将ＰＩ控制和模糊控制有机地结合起来，构成模糊自调整ＰＩ控制器。利用模糊技术对Ｋ。、Ｋ进行在线调整，以满足不同工况下对控制器参数的自整定，这样既能改善模糊控制器的稳态性能，又能在一定程度上提高ＰＩ控制器的鲁棒性和适应性【７粕ｏｌ。图５．１３给出模糊自调整ＰＩ控制的工作原理。图５．１３模糊自调整ＰＩ控制原理模糊自调整ＰＩ控制器即模糊控制和ＰＩ控制相结合，模糊控制的输出即为ＰＩ控制参数的调整量。这里，为了减小响应滞后时间，我们用增量式ＰＩ控制与模糊控制相结合。误差和误差变化率分别通过量化因子将其论域集中在【．３，３】范围内，模糊控制器的输出论域规定在【．１，ｌ】范围内。疋２｛一３，－２，一ｌ，ｏ，ｌ，２，３，：＆＝｛一３，．２，·ｌ，ｏ，ｌ，２，３）；噼。｛－ｌ，－０．６６，－ｏ．３３，Ｏ，０．３３，０．６６，ｌ｝；吣＝｛一１，一Ｏ．６６，．０．３３·Ｏ，０．３３，０．６６，１）。每个变量都划分成七个子集，它们相应的语言表述为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝。为了便于计算求解，选用三角型隶属函数表示论域的每一个值对于该模糊子集的隶属程度。模糊控制的核心部分在于模糊控制规则，所以每一个特定系统都有一套相应ｌ仳————————————————————————————～一长安大学博士学位论文的模糊规则。根据被控对象的特点，通过经验总结得到特定控制规则。解模糊的作用就是把在模糊控制器中的语言值转换为精确数值输出，本系统选用加权平均法实现这一转换功能。５．２．４仿真结果及分析在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下对双向ＤＣ／ＤＣ变换器的工作过程和控制策略进行仿真研究，设定蓄电池电压为２１６Ｖ，超级电容电压１５０Ｖ，电机供电电压２１０Ｖ，蓄电池充电电流９０Ａ，超级电容充电电流１２０Ａ，仿真结果如图５．１４．５．１６所示：图５．１４超级电容升压电路模糊ＰＩ仿真结果图５．１５超级电容充电电路模糊ＰＩ仿真结果第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略卯∞厂７０１∞．．／．．ｊ。∞蕃∞加２０１００．１０００．５１１．５２２．５３３．５４４．５５时阍／，图５．１６蓄电池充电电路模糊ＰＩ仿真结果从图５．１４可以看出，采用模糊自调整控制策略后，超级电容经双向ＤＣ／ＤＣ变换器的输出电压能在很短的时间内（ｏ．２ｓ）达到与蓄电池输出相匹配的电压（２１０ｖ），且输出电压波动小，抗干扰能力强。图５．１５和图５．１６给出了超级电容和蓄电池充电时采用的模糊自调整控制策略后的再生制动回馈电流曲线。从图５．１５可以看出，由于超级电容具有瞬时大电流充电能力，可以在短时间内（Ｏ．０４ｓ）达到设定的充电电流值（１２０Ａ）；从图５．１６可以看出，蓄电池的充电电流为９０Ａ，不超过其安全充电电流，防止了大电流对蓄电池的冲击，短时间内的恒值充电也提高了充电效率，对延长电动汽车的续驶里程有十分重要的意义。５．３双能量源电动汽车制动力分配的模糊控制电动汽车与传统车辆的重要区别就在于电动汽车可以实现再生制动，但只有驱动轮上的电气制动力矩才能通过电机发电，将部分机械能转化为电能存储在储能单元，从而延长续驶里程。因此，研究电动汽车再生制动运行时制动力分配对提高电动汽车的经济性能有很重要的作用。５．３．１电动汽车制动力分配的模糊控制器设计制动力分配控制器将驾驶人的请求制动转矩在机械制动和再生制动之间进行合理分配，将一部分机械能高效地转化为电能存储在车载能量源，同时满足车辆的制动性和驾驶平稳性的要求【１９１。本节针对双能量源纯电动汽车制动力分配问长安大学博士学位论文题，用“高”、“中”、“低”等模糊量取代精确值，形成模糊控制策略，设计双能量源纯电动汽车的制动力分配模糊控制器设计。１．模糊控制器的结构电动汽车制动能量回收的影响因素很多，主要有前后轮制动力分配、驱动轮摩擦和电气制动力分配、电机发电能力、车载能量源存储能力、道路行驶工况等。因此，所需要的输入信息至少包括储能单元的荷电状态ＳＯＣ、车速和驾驶员请求制动力（等效为制动踏板的角度）。模糊制动力分配控制器的结构如图５．１７示，主要由２个模块组成。第一个模块为模糊控制器模块，有三个输入和两个输出。输入为车速、蓄电池ＳＯＣｂ越和超级电容ＳＯＣ眦，输出为电气制动比例和摩擦制动比例。第二个模块为制动转矩修正模块，根据模糊推理器的输出和制动踏板的输入，最终确定机械制动转矩和电气制动转矩的大小。所需总一———＿－一型塾垄－ＩＩｌ机械制动转矩口Ｌ饿币Ｕ刎行耀制动系统塑塑皇查皇苎！璺竺三一模糊控广—１爵；磊ｒ画磊面亓—ＳＯＣ剖制器Ｉ黝奎蕉，厂］黜蓄电池电量（ｈ。】剜荔Ｉ动力比例蓄电池Ｉｌ超级电容图５．１７双能量源电动汽车制动力分配的模糊控制器结构制动转矩修正模块是根据所需总制动力和模糊控制器的输出分配前、后轮制动力，并能够协调驱动轮摩擦与再生制动力的分配，最终产生前、后轮机械制动转矩和电气制动转矩。其工作原理是通过修改ＡＤＶＩＳＯＲ２００２软件的制动力分配策略，通过查表得到后轮电气制动分配系数厶和摩擦制动分配系数厶，后轮制动力分配完毕后，剩余的制动力由前轮的摩擦制动提供，即前轮的机械制动力分配系数为ｌ一厶一厶。前、后轮机械和电气制动转矩通过制动系统使车辆实现的刹车制动。２．隶属度函数设计在本设计中，规定再生制动能量回馈模糊控制器中输入量（车速、蓄电池ＳＯＣ、超级电容ＳＯＣ）为下列模糊子集：Ｅ（Ｖ）＝｛ｌｏｗ，ｍｉｄｄｌｅ，ｈｉＩｇｌｌ｝，Ｅ（ＳＯＣｂ越）＝｛ｌｏｗ，ｍｉｄｄｌｅ，ｈｉｇｌｌ），Ｅ（ＳＯＣ∞）＝｛ｌｏｗ，ｍｉｄｄｌｅ，ｈＪ曲）。根据相关理论分析，１０７第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略设计出了车速（Ｖ）与蓄电池ＳＯＣｍ和超级电容ＳＯＣ嘴的隶属度函数如图５．１８、５．１９和５．２０所示。规定再生制动能量回馈模糊控制器中输出量（驱动轮摩擦制动力系数ｔｉｃ—ｆｒａｃ、再生制动系数ｆｒｃ＿ｆｉ勉ｃ）为下列模糊子集：Ｅ（ｆｉ咖）＝｛ｌＯＷ，ｍｉｄｄｌｅ，ｌｌｉｇｈ＞，Ｅ（ｆｒｅ＿ｆｒａｃ）＝｛ｌｏｗ，ｍｉｄｄｌｅ，ｈｉ９１１），其隶属度函数如图５．２ｌ和５．２２所示。图５．１８车速（Ｖ）隶属度函数图５．１９蓄电池ＳＯＣｍ隶属度函数图５．２０超级电容ＳＯＣ佻的隶属度函数图５．２１驱动轮摩擦制动力系数隶属度函数图５．２２驱动轮再生制动系数隶属度函数３．模糊规则库设计制定能量回馈模糊规则时，既要保证整车的安全性与舒适性，同时又要尽可表５．１电动汽车制动力分配模糊规则表ｌＩｆ（ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ∽ｉｓｌｏｗ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｉｓｌｏｗＸｆｒｅｆｒａｃｉｓｈｉ曲）２ｌｆ（Ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣＩ。ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｌｏｗＸｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）３Ｉｆ（Ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯｔ嵋ｉｓｈｉｇｈ）＇ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｌｏｗ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉ曲）ｌｆｆＶｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓ４ｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣ惦ｉｓｌｏｗ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｌｏｗＸｆｒｃ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）５ｔｆ（ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ哺ｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣ眦ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎＬｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｉｓｌｏｗＸｆｒｅ＿ｆｉ＇ａｃｉｓｈｉ曲）能多的回收制动能量。现根据实际经验和大量的仿真实验，总结出下面的模糊规则，如表５．１所示。长安大学博士学位论文表５．１（续）６７ｘｆ（ｖｉｓＩｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣ∞ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｌｏｗＸｆｒｅ．．ｆｒａｃｉＳｈｉｇｈ）ｉｆ（ｖｉｓｉｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｈｔｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ惦ｉｓ１０ｗ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｔ＂ｉｅ＿ｆｒａｃｉｓｉｏｗ）（ｆｒｅ＿ｆｉ＇ａｃｉｓｈｉ曲）Ｉｆ（Ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｕｃｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔｆｒｉｃｆｒａｃｉｓＩｏｗ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｅｉＳｍｉｄｄｌｅ）Ｉｆ（ｖｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｈｔｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｌ坞ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｉｓｌｏｗ）（ｆｒｅ＿．ｆｒａｅｉｓｌｏｗ）ｕ（ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ邺ｉｓ１０、Ⅳ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｏ．ｆｒａｅｉｓｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）ｉｆ（ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ懈ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｏｆｒａｅｉｓｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）ｉｆ（ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｂ｜ｔｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ∞ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｌａｘ：ｉｓｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅｆｒａｃｉＳｈｉｇｈ）Ｉｆ（Ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｂ｜‘ｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣ∞ｉｓ１０、ｖ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ＿＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）ｕ（ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｌｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯｔｌ艟ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（：ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）ｉｆ（ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯｔ∞ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｆｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｅｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）Ｉｆ（Ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ睇ｉｓＩｏｗ）’ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）Ｉｆ（Ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ惦ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎＬ衔ｃ＿ｆｒａｃｍｉｄｄｌｅＸｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）ｌｆ（Ｖｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ惦ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｍｉｄｄｌｅ）（ｆｒｅ——ｆｒａｃｉｓｌｏｗ）ｌｆ（ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ晰ｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ∞ｉｓｌｏｗ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｅｉｓｈｉｇｈＸｆｒｅ＿ｆｒａｅｉｓ８９１０１１１２１３１４１５１６１７１８１９ｉｓｉｓｉｓｉｓｉｓｈｉ曲）ｌｆ（Ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｂ｜‘ｉｓＩｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣｔ霹ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈＸｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）Ｉｆ（Ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ嘲ｉｓｌｏｗ）ａｎｄ（ＳＯＣ＝ｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆ－ｄｃ＿ｆｒａｅｉｓｈｉｇｈＸｆｆｅ＿ｆｒａｃｉｓ２０２ｌｈｉ曲）ｌｆ（Ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣ惦ｉｓｌｏｗ）ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｉｌｅ—ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｅｉＳｈｉｇｈ）ｌｆ（ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ晰ｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｌ雎ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔｆｒｉｅ＿ｆｒａｅｉｓ２２２３２４２５ｈｉｇｈ）（ｆｒｅ＿ｆｉ＇ａｃｉｓｈｉｇｈ）ｉｆ（ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓｍｉｄｄｌｅ）ａｎｄ（ＳＯＣｌＩｃｉｓｈｉｇｈ），ｔｈｅｎ（ｆｆｏｎｔ＿ｆｒｉｅ＿ｆｒａｅｉｓｈｉｇｈ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）Ｉｆ（Ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ晰ｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ嵋ｉｓｌｏｗ）’ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ＿＿ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）（ｆｒｅ＿ｆｒａｃｉｓｍｉｄｄｌｅ）ｌｆ（Ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ∽ｉｓｍｉｄｄｌｅ），ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ＿ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈ）（ｆｆｅ＿ｆｒａｅｉｓｍｉｄｄｌｅ）２６２７ｉｆ（ｖｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣｍｉｓｈｉｇｈ）ａｎｄ（ＳＯＣ鹄ｉｓｈｉｇｈ）＇ｔｈｅｎ（ｆｒｏｎｔ—ｆｒｉｃ—ｆｒａｃｉｓｈｉｇｈＸｆｒｅ．．ｆｒａｃｉｓＩｏｗ）由以上规则可以得到电动汽车速度，蓄电池ＳＯＣｂａｔ与电气制动力比例关系和超级电容ＳＯＣ．ｃ与电气制动力的比例关系，如图５．２３和５．２４所示。从图中可以看出，蓄电池的ＳＯＣｂ毗小于Ｏ．７时，随着车速的升高，电气制动的比例增大，由于电机功率有限，当车速增加到一定值时，电气制动比例不再增大，维持在一个最大值。从图５．２５中也可以看出，蓄电池的ＳＯＣｂ砒大于０．７时，随着车速增第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略大，为了保护电池，电气制动的比例很低。图５．２６为电气制动比例随车速和超级电容ＳＯＣ∞变化的曲面图，当车速和ＳＯＣ∽较低时，电气制动比例很大；当超级电容ＳＯＣ∽大于Ｏ．７时，随着车速的增加，电气制动比例降低。图５．２３再生制动摩擦比例随车速和蓄图５．２４再生钊动摩擦比例随车速和超电池ＳＯＣｈｔ变化的曲面图级电容ＳＯＣ眦变化的曲面图图５．２５电气制动比例随车速图和蓄图５．２６电气制动比例随车速和超级电池ＳｏＣｈｔ变化的曲面图电容ＳＯＣ眦变化的曲面图４．解模糊方法因为输出的控制量是一个模糊量，而实际的输入是精确量，因此应该用合适的方法将模糊控制量转变成精确值（反模糊化），在本文中考虑的整车驾驶的性能，采用加权平均法，ｔｌＩＪ，‰＝∑层ｔ／∑层”，２７●１１，ｆｌｌ通过上面公式，可以求得再生制动时所占的比例和摩擦制动所占比例系数，进而得到制动力和制动力矩。５．制动力分配的模糊控制模型根据上述分析，建立模糊控制器制动力分配模型如图５．２７和５．２８所示。ｌｌＯ长安大学博士学位论文ＣＯｆＩ，ＩＩｎｔ－口．．ｓＯＣ图５．２７后向路径模糊控制制动力分配●瞳ｔｈｃｅｔ㈣图５．２８前向路径模糊控制制动力分配本文选择ＣＹＣ—ＢＵＳＲＴＥ循环工况，来验证模糊控制分配策略在能量再生制ＢＵＳＲＴＥ循环工况图如图５．２９所示，基本参数如表５．２。图５．２９ＣＹＣＢＵＳＲＴＥ路径工况表５．２ＣＹＣ＿ＢＵＳＲＴＥ循环工况的基本参数表行驶时间１２８９ｓ行驶距离２．６ｋｍ最大速度３２．６９ｋｍ／ｈ平均速度７．２４ｋｍ／ｈ最大加速度Ｉ．７ｍ／ｓ２最大减速度－２．２７ｍ／ｓ２ｌｌｌ５．３．２仿真结果及分析动中的作用。ＣＹＣ＿——————————————————————————————一。当电动汽车行驶一个循环工况后，其相关参数的仿真波形如图５．３０－５·３３示。第５皇丝皇垫壅主翌丝墨堡墨竺堕丝型箜堕———一《皇苜＼删卅图５．３０电动汽车速度图５．３１电机功率图５．３２蓄电池ＳｏＣ眦变化曲线ＵＵｊｏ们馋删野辋图５．３３超级电容ＳＯＣＩ变化曲线由仿真结果可知，电动汽车在一个基本城市循环行驶了２．６ｋｉｎ，蓄电池ｓｏｃ睡值减少了０．０７５，超级电容ＳＯＣ峨值减少了０．３１。从５．３１图可知，电机输出功率１１２长安大学博士学位论文有正有负，当输出功率为正，表示电机在驱动汽车，反之当输出功率为负时，则表示电机在回馈制动。当没有加入再生制动模块时，电机输出功率只能为正或为零。５．４双能量源电动汽车能量管理的模糊控制策略电动汽车在行驶过程中，道路工况复杂多变，既存在起步加速和中高速行驶过程，又存在制动减速过程。不同的行驶工况对能量单元的需求不尽相同，驱动电机在汽车起步加速和中高速行驶过程中处于正功率需求状态，蓄电池和超级电容为电机提供功率，而在制动减速过程中又处于负功率需求状态，蓄电池和超级电容吸收电机的回馈制动功率，这就对采用蓄电池．超级电容并联的双能量源电动汽车的能量管理系统提出了更高的要求Ｉ鲫。电动汽车行驶中的复杂多变性使其精确的数学模型建立相当复杂，对于其能量管理系统若采用传统的控制方式，将很难得到理想的控制效果。因此本节选用模糊控制策略完成双能量源纯电动汽车能量管理，通过制定模糊规则来设计模糊控制器，实现能量的合理分配［８９．９１】。５．４．１双能量源电动汽车能量管理建模双能量源电动汽车中的蓄电池与超级电容并联，通过合理的控制策略对蓄电池和超级电容的功率进行分配。电动汽车的双能量源模型如图５．３４所示。其中，功率总线模块用来控制整车功率，控制策略模块进行功率分配。ｐｏ瑚Ｆ●ｎ，－ｉｌ曲ｋｔｏｂ惦Ｃｖｌ，）图５．３４电动汽车蓄电池．超级电容双能量源模型５．４．２双能量源电动汽车能量管理的模糊控制分析双能量源电动汽车能量管理优化控制的目的是在满足电动汽车正常行驶所第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略需功率的前提下，合理的分配蓄电池和超级电容所要提供的能量，使电动汽车消耗的能量最少，加速时间最短，从而实现电动汽车动力性能和经济性能的统一。同时由于蓄电池和超级电容的工作状态受其ＳＯＣ的影响很大，在实际运行中，蓄电池和超级电容的ＳＯＣ安全范围一般分别为【Ｏ．５，Ｏ．８】和［０．２，０．９】。因此应该结合其ＳＯＣ状态合理制定控制策略，使蓄电池和超级电容处于最佳工作状态，延长其使用寿命，保证储能单元能长期高效的运行暇Ｊ。双能量源电动汽车能量管理系统如图５．３５所示，将驱动单元的需求功率、蓄电池ＳＯＣｍ和超级电容ＳＯＣ∽作为控制器的输入变量，通过适当的控制策略将所需功率分配到蓄电池和超级电容上。需求功翠●一■一蓄电池功率蓄电池ＳＯＣｂ甜■Ｌ■一控制策略超级电容ＳＯＣ眦■一超级电容功率图５．３５双能量源电动汽车能量臂理系统结构设驱动单元所需的功率为％，蓄电池和超级电容提供的功率分别为‰和匕，在理想情况下忽略相关单元的功率损耗，则：％＝‰＋匕（５．１４）定义比例系数‰为蓄电池所提供的功率在所需总功率中所占比例，则有：ｋ＝‰／尸聊（５．１５）超级电容所提供的功率：匕＝％一‰＝尸嗍（１－‰）（５．１６）为保证蓄电池和超级电容能长期高效的运行，应该使两者的ＳＯＣ处于一定的允许范围：在电动汽车加速爬坡时，使其具有较大的ＳＯＣ值，能提供较大的加速功率：在电动汽车减速下坡时，使其具有较小的ＳＯＣ值，从而回收更多的再生制动能量。蓄电池和超级电容的ＳＯＣ约束条件如下：｛阻ｓｏｃ．。：量％ＳＯＣ．，三嚣：ｌ曲ｓｓ畈．一＠，乃根据前面所述的蓄电池和超级电容的工作模式及其ＳＯＣ的条件，总结出以下几点控制规律ｆ９３】：１１４长安大学博士学位论文（１）当电动汽车所需功率较大时，如果蓄电池和超级电容的ＳＯＣ都很大，则蓄电池和超级电容共同提供功率；当蓄电池ＳＯＣｂ砒很大，超级电容ＳＯＣ∞较小时，由蓄电池提供全部的功率；当蓄电池ＳＯＣｂｍ很小，超级电容ＳＯＣｕｃ很大时，由超级电容提供全部的功率；当蓄电池和超级电容的ＳＯＣ都很小时，由蓄电池提供大部分功率，超级电容提供辅助功率。（２）当电动汽车轻载运行时，所需功率较小。此时如果蓄电池ＳＯＣｂ砒很大，则由蓄电池提供全部功率；如果蓄电池的ＳＯＣｂ砒较小，超级电容的ＳＯＣ∽较大时，由超级电容提供全部功率：如果蓄电池和超级电容的ＳＯＣ都很小，则由蓄电池提供大部分功率，超级电容提供辅助功率。（３）在电动汽车下坡或制动时，产生再生制动能量。这时，优先给超级电容提供能量，使其ＳＯＣ值达到最佳运行值，再将剩余的能量提供给蓄电池。５．４．３双能量源电动汽车能量管理的模糊优化控制器设计根据上一节的分析，结合其控制规律，设计了三输入、单输出的Ｍａｄａｍａｎｉ结构的模糊控制器。输入变量为需求功率％、蓄电池ＳＯＣｂａｔ和超级电容ＳＯＣ睇，输出变量为蓄电池所提供的功率占总功率的比例ｋ。需求功率的论域为ｆ·１１】，其余输入输出变量的论域为【ｏ１】。各输入输出变量的模糊集合为：％－－｛ＮＢＮＭＮＳＺＥＰＳＰＭＰＢ＞；ＳＯＣｂｎ，＝｛ＬＥＭＥＧＥ）；ＳＯＣｕｃ－｛ＬＥＭＥＧＥ）；ｋ＝｛ＬＥＭＬＭＥＭＢＧＥｌ；其中，ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、ＺＥ（零）、ＰＳ（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大）、ＬＥ（较小）、ＭＬ（中小）、ＭＥ（中）、ＭＢ（中大）、ＧＥ（较大）。输入输出变量的隶属度函数均取高斯型，如图５．３６所示。图５．３６输入输出变量的隶属度函数ｌＩ，第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略根据模糊优化控制策略，制定的模糊规则表如表５．３所示：表５．３模糊规则表ｌＩｆ妒ｒｅｑｉｓＮＢ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｉｓＬＥ）ａｎｄ（ＳＯＣｕｃｉｓＬＥ），ｔｈｅｎ（ＫｂａｔｉｓＭＥ）２Ｉ妒凶ｉｓＮＢ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓＭＥ）ａｎｄ（ＳＯＣ∞ｉｓＬＥ），ｔｈｅｎｏｔ妇ｉｓＭＬ）６３Ｉ坟ＰｒｅｑｉｓＰＢ）ａｎｄ（ＳＯＣｂａｔｉｓＧＥ）ａｎｄ（ＳＯＣｕｃｉｓＯＥ），ｔｈｅｎ（ＫｂａｉｓＭＢ）根据上面设计的模糊控制器，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下建立双能量源电动汽车能量优图５．３７双能量源电动汽车能量优化管理模糊控制策略选择ＣＹＣＢＵＳＲＴＥ循环工况，对双能量源电动汽车能量管理的模糊控制策１．蓄电池电流ｅ∞铷。Ｗ嘶黼～Ｉ《ｉＩ志气ｌ｜｜Ｉ｜ＩＩ山是＾Ｉ｜｜『｜｝｜｝ｌ（ｎ叶ｔｑ／，图５．３８蓄电池作为单能量源时的电流变化曲线１１６化管理模糊控制策略如图５．３７所示，模糊控制器根据输入变量的变化调节输出比例因子ｋ，从而得出蓄电池所分配的功率，再根据式（５—３）进而得到超级电容所分配的功率。５．４．４仿真结果分析略进行验ｉ正［９４·９５１。对采用蓄电池．超级电容双能量源的电动汽车与采用蓄电池作为单一能量源的电动汽车在相同的道路循环工况下进行对比，分别从蓄电池的最大电流、电动汽车的动力性能和能量回收效果三方面说明模糊控制策略的优越性。螽。∞智罂瑚■Ｏ长安大学博士学位论文：－．一一川』Ｌ触．ｉ一广”’…””……”…”一～，＾＾．圳』．．血＾舟』ｊ｜Ｊ｜ｌ出』』ｌ／叫』“”……………’时间／｜图５．３９采用模糊控制策略后双能量源电动车蓄电池电流变化曲线图５．４０采用模糊控制策略后双能量源电动车超级电容电流变化曲线从图５．３８可以看出，蓄电池作为电动汽车单一能量源时，其平均峰值电流２．加速动力性能从电动汽车从０ｋｍ／ｈ加速到３０ｋｍ／ｈ所用的时间、最大加速度、最高车速、表５．４动力性能比较能量源形式０．３０ｋｍ／ｈ最大加速最高车速１０ｓ行驶行驶ｌｋｍ加速时间（ｓ）度（ｍ／罩２）（ｋｍ／ｈ）距离（ｍ）所用时Ｎ（ｓ）蓄电池单一能量源２．７４．５８３．１９２．７９２电容双能量源２．４４．６８３．４９４９１．４从表５．４的对比结果可以看出，由于超级电容比功率高的特点，能快速大电３．能量回收效果１１７接近４００Ａ，而最大峰值电流达到了６００Ａ，大电流冲击对蓄电池的使用寿命影响极大：图５．３９和图５．４０分别为采用模糊控制策略的双能量源电动汽车的蓄电池和超级电容的电流变化曲线，从图中可以看出，蓄电池电流明显降低，只有图５．３８中的１／２，而峰值电流全部由超级电容提供，减小了大电流对蓄电池的冲击。１０ｓ行驶的距离和行驶ｌｋｍ所用的时间五方面来比较采用蓄电池单一能量源的电动汽车和采用蓄电池．超级电容双能量源的电动汽车的动力性能，如表５．４所示。蓄电池和超级流放电，为电机提供所需的峰值功率，因此采用蓄电池和超级电容作为双能量源的电动汽车的动力性能要优于采用蓄电池作为单一能量源的纯电动汽车。第５章纯电动汽车双能量源系统的控制策略表５．５能量回收对比能量源形式总制动电机回馈能量源吸能量回收整车效率能量（鲫能量（ＫＪ）收能量（ＫＪ）效率（％）（％）蓄电池单一能量源３０７１８７４７１９２３．４１２６蓄电池和超级电容２９９３９２６９０３３０．１７３０双能量源表５．５列出了蓄电池单能量源电动汽车与蓄电池．超级电容双能量源电动汽车的能量回收对比数据。从这些数据可以看出，应用模糊逻辑控制能将控制参数进行模糊化处理，实现功率的合理分配，保证各部件都高效运行，采用模糊逻辑控制策略的双能量源吸收的电机回馈制动能量要大于单能量源蓄电池吸收的能量：双能量源的能量回收效率（３０．１７％）要大于单能量源蓄电池的回收效率（２３．４１％）；在整车效率方面，双能量源电动汽车也要优于蓄电池单能量源电动汽车。由此可见，采用模糊优化控制策略的双能量源能量管理系统的经济性能大大提高。５．４．５模糊控制策略的改进在上一节的模糊控制策略中，设计的输入变量尸脚的论域为【．１ｌ】，即认为电机在电动运行时所需的最大功率和回馈制动时所产生的最大功率是相同的。但是通过图５．４１电动汽车在ＣＹＣ．ＢＵＳＲＴＥ循环工况下的功率需求曲线可以看出，电机电动运行时所需的最大功率为１０ｘ１０４Ｗ，而回馈制动的最大功率只有－２×１０４Ｗ，回馈制动功率远小于电动运行时所需功率。若采用［．１１】的论域，必然导致论域负半部分大部处于“空闲”状态，再生制动的功率总会落在ＮＳ区间内，所制定的模糊规则不能全部起作用，模糊控制器发挥不出其优势。图５．４１电动汽车在ｃｖｃｎＵＳＲＴＲ循环工况下的功率需求曲线针对此问题，将电机电动运行和回馈制动运行分两种情况来处理，根据这两种不同的电机运行情况设计两个控制器，从而分别实现电机在电动状态和制动状态功率的优化分配。这样虽然控制结构比较清晰，但却增加了控制的复杂程度（需１１８长安大学博士学位论文要设计两个控制器）。因此，本设计中将输入变量％论域的正负区间设定成５：１的比例，即【．０．２１】，这样可以保证电机在回馈制动时的功率全部落在其论域内。尸嗍的隶属度函数曲线如图５．４２示·图５．４２模糊优化改进策略中输入变量％的隶属度函数曲线将改进后的模糊优化控制策略嵌入到模糊控制器中，在相同的道路循环工况下对其控制效果进行验证。仿真结果见表５．６。表５．６模糊优化改进策略仿真结果控制策略蓄电池和超级电容双能量源改进模糊控制策略０．３０ｋｍ／ｈ加速时间（ｓ）２．２最大加速度（ｒⅣｓ２）４．６最高车速（１（Ｉｎ／ｈ）８３．４ｌＯｓ行驶距离（ｍ）９６．５行驶Ｉｋｍ所用时间（ｓ）９０制动总能量（ＫＪ）２９９３电机回馈能量（ＫＪ）９２６能量源吸收能量（娜９ｌＯ能量回收效率（％）３０．４从表５．６的结果中可以看出，采用改进模糊控制策略后，纯电动汽车的动力性能保持不变，而能量回收效率得到了提高。这对提高电动汽车的经济性能，延长续驶里程有重要意义。５．５本章小结本章围绕纯电动汽车双能量源系统的模糊控制策略进行研究，首先对双向ＤＣ／ＤＣ变换器进行了数学建模，在此基础上设计了双向ＤＣ仍Ｃ变换器的模糊自调整控制器。然后，针对电动汽车制动能量回收问题，对双能量源电动汽车制动力分配进行了研究，设计了双能量源制动力分配的模糊控制器，并进行了相关仿真验证和分析。最后，对双能量源纯电动汽车的功率分配问题进行数学建模，设计了模糊控制策略。同时，考虑到道路循环工况下驱动和再生制动功率的差异，１１９＿——————————————————————————————一。。第５重丝皇垫壅主翌墼量望墨竺箜叁墅茎堕．——提出了改进的模糊控制策略，并对两种控制策略进行仿真。仿真结果表明，所提出的控制策略能充分发挥双能量源系统的优点，最大限度地回收动能量，提高续驶里程，实现了动力性能和经济性能的统一。长安大学博士学位论文第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真目前，国外关于双能量源系统的研究比较深入，已有双能量源电动汽车问世；国内双能量源电动汽车的研究和应用才刚刚起步，对双能量源系统的研究处于建模、仿真和实验验证阶段１９６－１００］。为了验证双能量源纯电动汽车优化控制策略的正确性和有效性，本章在ＡＤＶＩＳＯＲ２００２仿真软件的基础上，通过二次开发得到界面友好且适合蓄电池和超级电容双能量源纯电动汽车建模与仿真的软件平台，对双能量源纯电动汽车进行了多种工况下的整车性能仿真。仿真结果表明，双能量源纯电动汽车的动力性和经济性都得到了提高。６．１国外汽车仿真软件概述目前，国际上主要的汽车动力学仿真软件有ＡＤＶＩＳＯＲ、ＰＳＡＴ、ＣＲＵＩＳＥ、ＳＩＭＰＬＥＶ、ＨＥＶＣ、ＥＶＳＩＭ、Ｖ－Ｅ１ＰＨ等，其中应用最广泛的汽车仿真软件是ＡＤＶＩＳＯＲ和ＰＳＡＴ。表６．１是近年来国内外主要汽车仿真软件的详细对比【卿羽。表６．１电动汽车仿真软件软件名称适用范围开发者开发环境功能特点纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电美国能源可回ＡＤＶＩＳｏＲ收实验室ＭＡＴＬＡＢ模型较完善，功能多，采用池汽车以及常规前向与后向结合的仿真方／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ车辆（ＮＲＥＬ）法纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电ＵＳＡＣＡＲ、模型较完善。功能多。采用ＭＡＴＬＡＢ前向仿真方法。具有实时仿ＰＳＡＴ池汽车以及常规ＮＡＳＡ、ＥＰＩＡ和，ｓｉｍｕｌｉｎｋ真功能，易于改变模型与控车辆ＤｏＥ制方法纯电动汽车、混合模型较完善，功能多，方便功能部件选型和整车建模，～ｌＡＴＬＡＢＣＲＵＩＳＥ动力汽车、燃料电ＡＶＬ池汽车以及常规适用于整车性能预测、动力／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ车辆传动及控制系统的开发及优化纯电动汽车、串联Ｉｄａｈｏ美国国家可以定义部件模型参数。选ＳＩＭＰＬＥＶ式混合动力汽车工程实验室ＱＢａｓｉｅ择道路循环工况，以图表的形式报告仿真结果纯电动汽车、串联ＬａｗｒｅｎｃｅＮｔＡＴＬＡＢ设计了燃料电池、飞轮、氢ＨＥＶＣ式混合动力汽车Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ美国／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ国家实验室燃料和压缩天然气等模型综合软硬件的可视化环境，ＥＶＳＩＭ纯电动汽车大学ＭＡＴＬＡＢ具有设计和优化功能，智能／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的虚拟现实系统１２Ｉ第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真软件名称适用范围开发者开发环境功能特点ｖ－ＥｌＰＨ串联、并联混合动ＴｅｘａｓＡ＆ＭＭＡＴＩＡＢ易于改变车辆的配置，可视力汽车ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｉｍｕｌｉｎｋ化的模型，模型之间采用标准的数据流通讯。从表６．１可以看出，现有汽车仿真软件具有如下特点：（１）分别设计了发动（２）开放式模型与源代码使用户可以根据需要添加自定义的模块与参数；（３）以供研究人员进行二次开发。ＡＤＶＩＳＯＲ（ＡｄｖａｎｃｅｄＶｅｈｉｃｌｅＳｉｍｕｌａｔｏｒ，高级车辆仿真器）是美国国家再生（１）匹配车辆各总成参数，优化其性能。（２）研究车辆如何通过传动系统和驱动系统实现能量转化。（３）比较不同驾驶循环工况下的排放特性和能量消耗情况。（４）评价车辆的能量管理策略。（５）优化变速器的传动比以获得到最佳经济性能和最佳动力性能。（６）预测和分析车辆的动力性、经济性以及整车综合性能。ＡＤＶＩＳＯＲ混合仿真方法车辆的仿真方法主要有两种，一种是前向仿真方法，一种是后向仿真方法，机、电动机、传动器及控制器等模块，并提供标准接口用于各个模块之间的交互；选择Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下的ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ开发环境，并且提供了开放式源代码６．２汽车仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ能源实验室ＮＲＥＬ在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件环境下，为进行车辆能量消耗和排放分析而开发的仿真软件。该软件从１９９４年开始开发与使用，是目前世界上用户数量最多的汽车仿真软件。该软件源代码完全开放，用户可以根据自己的需要，采用或修改其内部提供的通用子模块，建立自定义汽车模型来进行仿真。具体而言，使用ＡＤＶＩＳＯＲ对电动汽车进行仿真，能够实现以下功能【９６】：６．２．１分别如图６．１和图６．２示。其中，前向仿真包含驾驶员模型，能根据请求速度和当前速度来生成加速命令和制动命令：加速命令被转换成电机（发动机）扭矩，最终计算出车轮驱动力和车速。后向仿真方法是假设车辆满足道路循环工况两次请求行驶轨迹的前提下，计算车辆中各个部件性能的仿真方法，该方法不需要驾长安大学博士学位论文驶入的特性参数，直接根据请求速度轨迹来计算车辆加速的动力需求，并按照车辆实际功率流相反方向，沿着传动路线向后逐部件计算，最后得到满足行驶轨迹要求的能量消耗量。目标车速图６．１电动汽车前向仿真流程图目标实际图６．２电动汽车后向仿真流程图两种仿真方法各有优缺点。其中，前向仿真可以处理实际传动系统中的测量数据，各个部件关系更接近于车辆实际情况，仿真效果理想，缺点是前向仿真计算量大、运算速度较慢、传动系统的功率计算依赖于车辆状态。后向仿真由于已知各个部件不同扭矩和速度情况下的效率特性，计算速度较快，但当系统速度轨迹的加速度超出传动系统能力时，后向仿真不能反映出汽车实际加速度必然小于轨迹请求加速度这一情况，且后向仿真方法所使用的各子系统特性通常在稳态条件下测出，实际计算过程中不包含动态效果，因此仿真效果相对较差。ＡＤＶＩＳＯＲ采用了前向仿真方法和后向仿真方法相结合的混合仿真方法，如图６．３示。该方法采用后向仿真为主、前向仿真为辅的仿真方法，既减少了计算量，同时又保证了仿真结果的精确性。图６．３ＡＤＶＩＳＯＲ的仿真数据流程第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真６．２．２ＡＤＶＩＳＯＲ的组成与运行过程ＡＤＶＩＳＯＲ纯电动汽车仿真平台包括：道路循环工况模块（ＤｒｉｖｅＣｙｃｌｅ）、车辆模块（Ｖｅｈｉｃｌｅ）、车轮和驱动轴模块（ＷｈｅｅｌａｎｄＡｘｌｅ）、减速器模块（ＦｉｎａｌＤｒｉｖｅ）、变速箱模块（Ｇｅａｒｂｏｘ）、电机控制模块（Ｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、功率总线模块（ＰｏｗｅｒＢｕｓ）、能量存储模块（ＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ）等，其仿真功能的具体执行步骤如下【％＇１０２，１∞，１０７１：（１）选择传动系统模型。ＡＤＶＩＳＯＲ中自带传统汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、串联混合动力汽车、并联混合动力汽车以及丰田Ｐｒｉｕｓ、本田Ｉｎｓｉｇｈｔ等车辆系列的传动系统模型。用户可以根据需要选择合适模型进行参数设定，也可以自定义传动系统模型，添加到ＡＤＶＩＳＯＲ库中进行仿真。（２）设置部件的仿真参数。ＡＤＶＩＳＯＲ中主要设定的总成部件有车身底盘、发动机、动力电池、电动机、传动系（包括变速器和主减速器）、车轮以及控制策略等，需要设置的主要参数包括各总成的外形参数、质量参数以及性能参数等。用户可以根据自己需要在ＡＤＶＩＳＯＲ主界面的中下部变量、参数清单处进行修改，也可以在ｄａｔａ文件夹下相应的文件中进行修改。（３）设计控制策略。ＡＤＶＩＳＯＲ仿真软件中设置了多种控制策略，用户可以在（３ＵＩ界面中通过修改参数对控制策略进行定制调用，或在ＡＤＶＩＳＯＲ和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型自定义新的控制策略。（４）设置仿真参数。需要设定的仿真参数主要包括循环工况、加速与坡度测试参数、总成参数上下限等。各种工况的主要指标有车辆行驶时间、距离、最高车速、平均车速、最大加减速度、平均加减速度等，用户可以从中选择合适的驾驶循环或者将多种不同的循环工况组合后进行仿真，也可同时对车辆进行加速以及爬坡性能测试。（５）仿真结果分析。ＡＤＶＩＳＯＲ的仿真运行结果包括仿真参数图、仿真报告、能源消耗图、比较仿真几个部分。仿真参数图能够同时显示不同总成相关参数随仿真时间的变化曲线，并可根据需要在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型图中添加其它参数，以便在结果中显示。仿真报告给出了燃料消耗情况、行驶距离、有害气体排放、ＭＯＤＥ）下的输入能量、输出能量、损失能１２４加速度和爬坡能力等结果报告，能源消耗图显示各个部件在驱动模式（ＰＯＷＥＲＭＯＤＥ）和能量再生模式（ＲＥＧＥＮ量及效率。比较仿真则将八个仿真结果文件和测试数据放在同一个坐标中进行比长安大学博士学位论文较。总之，ＡＤＶＩＳＯＲ仿真可以求解复杂的数学模型，所建立的模型接近实际，计算结果较为精确；还能按照预定程序模拟各种行驶工况，全面且精确地预测汽车在各种工况下的性能。６．３面向双能量源纯电动汽车的ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发目前，国内外对电动汽车用双能量源系统的研究与应用刚刚起步，而ＡＤＶＩＳＯＲ仿真软件还不支持双能量源纯电动汽车的仿真。本节以ＡＤＶＩＳＯＲ２００２软件为基础进行二次开发，实现蓄电池．超级电容双能量源纯电动汽车（代码中简写为ＥＶＣＨＤ）的仿真验证功能。下面结合各个主要扩展内容，对ＡＤＶＩＳＯＲ２００２的二次开发过程进行简单说明。１．建立双能量源纯电动汽车的整车Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型汽车Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型是ＡＤＶＩＳＯＲ软件的核心，用来对汽车的工作情况进行模拟。在ＡＤＶＩＳＯＲ２００２中，为多类汽车都定义了对应的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型，由循环工况、车身、车轮／车轴、主减速器、变速箱、电动机／控制器、电器附件、动力总线、蓄电池等模块组成，存储于ｍｏｄｅｌｓ文件夹中，是汽车仿真的基础【１０６Ｊ。这里，以ＡＤＶＩＳＯＲ２００２中已有的单能量源纯电动汽车模型ＥＶ为基础，构建的ＥＶ—ＣＨＤ模型如图６．４所示，其模型文件命名为ＢＤ—ＥＶ—ＣＨＤ．ｍｄｌ存储于ｍｏｄｅｌｓ文件夹中。相比于ＥＶ模型，主要添加的模块有超级电容模块＜ｅｓｓ２＞、ＤＣ／ＤＣ变换器模块＜ｄｃ．ｄｃ＞、控制策略模块＜ｃｔｒ＞等。其中，超级电容模块＜ｃｓｓ２＞来自ＡＤＶＩＳＯＲ２００２模块库，在模块库（Ｌｉｂｅｒａｒｙ文件夹）中的路径为ｌｉｂ＿ｅｎｅｒｇｙ＿＿ｓｔｏｒａｇｅ／ＥＳＳＣｈｏｉｃｅｓ／ＵｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒＤＣ／ＤＣ变换器模块＜ｄｃ—ｄｃ＞用于对＜ｃｓｓ＞、＜ｅｓｓ２＞两个模块的电压匹配；自定义的控制策略模块匈仃＞用于对＜ｅｓｓ＞、＜ｅｓｓ２＞两个模块的能源供应情况进行控制，可以有不同的实现方式。图６．４Ｅｖ＿ＣＩ－ＩＤ汽车Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型顶层模块图２．建立ＥＶ—ＣＨＤ车辆、能量源配置文件及车辆图像文件１２５第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真在ＡＤＶＩＳＯＰ，２００２软件中，汽车零部件配置以·．ｍ文件的形式存储于ｓａｖｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓ文件夹中，各个部件的具体参数则分别在ｄａｔａ文件夹的对应子文件夹中分类存储。比如，ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ子文件夹对应于汽车能量源系统，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ子文件夹对应于传动系，ｗｈｅｅｌ子文件夹对应于车轮。参考ＥＶ模型，在ｓａｖｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓ文件夹下新建ＥＶＣＩ－ＩＤｄｅｆａｕｌｔｓ．ｉｎ．ｍ文件，并增加超级电容的配置代码：ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ。ｎａｍｅ－一－ｃｖ．ｃｈｄ＇；％双能量潦电动汽车系烈ｖｉｎｆ．ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ２。ｎａｍｅ＝＇ＥＳＳ２ＵＣ２＿ＭａｘｗｅｌＩ＿ＣＨＤ＇；％颓增超级电容ｖｉｎｆ．ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２．ｖｅｒ一－ｒｃ。：ｖｉｎｆ．ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２．ｔｙｐｅ－－＇ｃａｐ’；由于选用Ｍａｘｗｅｌｌ的超级电容作为辅助能量源，仿照ＥＳＳＵＣ２Ｍａｘｗｅｌｌ．ｍＵＣ２Ｍａｘｗｅｌｌ．ｍ，并调整超级电容参数，主要有：ｅｓｓ２一ｍｉｎ—ｖｏｌｔｓ＝１．３；％直压瓦；荠『功一ｍａｘ—ｖｏｌｔｓ＝２．８；％辔压亡聊ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｃ＿ｍ删．５５；％掌筋厉别最后，参照ＥＶ车型，绘制ＥＶＣＨＤ汽车车型图，区分蓄电池和超级电容两３．在ＡＤＶＩＳＯＲ主程序中实现ＥＶＣＨＤ加载ＡＤＶＩＳＯＲ主界面是车辆参数配置界面，对应于图形文件ＩｎｐｕｔＦｉｇ．ｆｉｇ。为了首先，利用ｇｕｉ文件夹中定义的ｏｐｔｉｏｎｌｉｓｔ函数，进行车辆数据的加入、删除、ＣＨＤ车型的加载，使用了如下一系列Ｍａｔｌａｂｏｔａｉｏｎｉｉｓｔ（＇ａａｄ＇，ｔｉｎｐｕｔ，ｆｉｌｅｎａｍｅｓ＇。ｘｖｃＨＤｄｅｆａｕｌｔｓｉｎ．）；％扩充可加载文释ｏｐｆｉｏｎｌｉｓｔ（“ａｄｄ＇：ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ＇，＇ｅｖ＿ｃｈｆｆ）％扩充司訇ｎ载车銎ｏｐｔｉｏｎｌｉｓｔ（＇ｓｄｄ＇，＇ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２＇，’ＥＳＳ２＿ＵＣ２＿Ｍａｘｗｅｌｌ＇，ｋ＇，＇ｃａｂ’）；％旅渤钎．官趱ｏｐｔｉｏｎｌｉ妯（＇ｄｅｒ，＇ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２＇，１＇ＥＳＳＰＢ２Ｙ，＇ｓａｂｅｒ＇：蛾ｌ％翻除琢辅助能ｉ泽中的鼯ｓ选瑷。面ｏｒＩＩ酬＇ｄｃｌ＇，＇朋ｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２＇，＇ＥＳＳＰＢ５４－１４Ｖ州ｈｂ矾’ｐｂ３；％局垡ｏｐｔｉｏｎｌｉｓｔ（＇ｄｅｉ。，＇ｅｎｅｒｇｙ＿ｓｔｏｒａｇｅ２‘，ｒｏｓｓ．＿ＵＣ２＿Ｍａｘｗｅｌｌ’。。ｒｅ＇，＇ｅａｂ３；％—零垡其次，修改与主界面相关的多个·．１３１文件。比如，在文件ＩｎｐｕｔＦｉｇＣｏｎｔｒ０１．ｍ１２６文件建立新文件ＥＳＳ２种能量源。车型图命名为ｅｌｅｃｔｒｉｃ＿ｃｈｄ．ｊｐｇ，放于ｇｕｉ目录下，以备下一步使用。对ＡＤＶＩＳＯＲ２００２进行扩展，使主界面可以加载ＥＶ．ＣＨＤ车型，同时基于Ｍａ廿ａｂ命令行操作和·．ｍ文件代码修改来予以实现。修改、读取等操作。为了实现ＥＶ命令行数据操作命令：中的“ｃ蹴ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ＂语句下添加如下语句：————————————————————————————～一长安大学博士学位论文ｃ鹳ｅ’ｅｖ＿ｃｈｄ＇’…。“ｆｉｅｌｄｓ２ｒｅｍｏｖｅ一｛。ｆｕｅｌｃｏｎｖｅｒｔｅ，，＇ｇｅｎｅｒａｔｏｒ＇，。ｅｘｈａｕｓｔ＿ａｆｌｅｒｔｒｅａｔ＇，＇ｍｒｑｕｅ＿ｃｏｕｐｌｉｎｇ－）；表明ＥＶ．－ＣＨＤ车型中不需要这些模块。在文件ｇｕｉ＿ｉｍａｇｅ．ｍ下“ｓｗｉｔｃｈｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ＇’中增加如下语句：ｃ锄站＇ｅｖ＿ｃｈｄ＇ｅｖ．＿ｉｍ－－ｉｍｒｅａｄ（’ｅｌｅｃｔｒｉｃ＿ｃｈｄ．ｊｐｇ＇，ｊｐｇ｜）；ｈ２＝ｉｍａｇｅ（＇Ｐａｒｅｎｔ＇，ｈｉ，…１ＢｕｔｔｏｎＤｏｗｎＦｃｎ＇，’ｇｕｉ＿ｓｅｌｅｃｔ＇，…’ＣＤａｔａ＇，ｅｖｉｍ，…＇Ｔａｇ＇，’ｅｖ＿ｉｍａｇｅ’）；对ＥＶ—ＣＨＤ与车型图片进行关联。在文件Ｉｍａｇｅｌｎｆｏ．ｍ下“ｓｗｉｔｃｈｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ＇’中增加如下语句：ｃａ∞’ｅｖ．．＿ｃｈｄ。ｉｍ＝｛ｔｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｔ。［１４１１８６８５７５１％定位鼠标范围＇ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ２’。［１４１２６１８５７５］＇ｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ＇，【２１５２４７２７７５］＇ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ＇。【２７１２９０６０１０１１．’】ｖｈｅｅｌ＿ａｘｌｅ＇，［６１ｌ１７２２６］＇ｗｈｅｅｌ＿ａｘｌｅ’，【２５４３１０７２ｓ］＇ｗｈｅｅｌａｘｌｅ。。［６１ｌ１８１３４１５９１。ｗｈｅｅｌ＿ａｘｌｅ＇。［２５４３１０１３４１５４］｝；将ＥＶＣＩ－ＩＤ车型图片中各模块的位置进行设定。最后，在文件ｂｌｏｃｋ＿ｄｉａｇｒａｍ＿ｎａｍｅ．ｍ下“ｓｗｉｔｃｈｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ＇’中增加如下语句：ｃａｓｅ＇ｅｖ．．ｃｈｄ‘ｂｄ＿ｎａｍｅ２＇ＢＤＥＶＣＨＤ。；使ＥＶＣＨＤ车型与对应Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型关联起来。通过以上Ｍａｔｌａｂ命令行数据操作与·．ｍ文件的修改，即可实现Ｅｖ．上ＨＤ汽车在主界面的正确加载，修改后的主界面如图６．５示。４．增加蓄电池和超级电容预匹配功能ＡＤＶＩＳＯＲ允许用户设置汽车动力性能的目标参数，利用加速、爬坡仿真对汽车的能量源、电机、传动系等参数进行自动匹配，达到或接近用户设定的动力性能目标，点击主界面右上角的Ａｕｔｏｓｉｚｅ按钮（见图６．５）便可启动此功能。与ＥＶ等其它车型不同，ＥＶＣＨＤ同时使用蓄电池和超级电容提供动力能源，其自动匹配要更为复杂，原有匹配算法已经无法实现这一功能。这里，以第四章的相关理论作为支撑，从蓄电池．超级电容预匹配、基于能量指标的调整优１２７第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真化两个方面对ＡＤＶＩＳＯＲ软件进行扩展。下面，先对蓄电池．超级电容预匹配进行说明。∥”！！型Ｂ耽８ｕｓ捌Ｄ－－ｎ。■１～，…’１＋Ｉ丽］蠹，；磊怒焉矗瞄≮ｒ—芝群：一。善■’磊Ｆ■匿。鳃≠？’。圜阿１；７～螭㈠一墓■“扎薹婚蒜墨：凶：７鱼曼鲤堡丛！丛！些！鲤竺．■＿＿＿＿＿－＿＿＿·－－·－－＇。＿■＿’ｏ■。＿＿＿＿－－＿＿＿－＿＿＿＿■‘－＿■■■■■■●■■■■■■■＿｛竺竺！生！！坐！！■｜！≥！生！！竺！－ｈｏｆ，ｈＹ●脯日竹ｏ■＂Ｙ■Ｔｍ墓蓊鏖≯Ｉ‘Ｉ；Ｉ曼Ｖａｒｉａｂｌｅ一：一一，、。＋ｔ—ｎ。，。ｔ，二．．—山＿＾＿Ｒ：々ｄ：‘．’ｕ＾－．·＿‘Ｈ山“；ｏ“ｐｏｎａｒ４ｒｎｏｍｌｃｏｎｔｒｏｉｄ■积√，邕吐“订－：：：．图６．５二次开发后ＡＤＶＩＳＯＲ２００２的主界面首先，在ＥＶＣＨＤ汽车的Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面中添加一个命名为“ｃｓｓ／ｅｓｓ２ｐｒｅ．ｓｉｚｅ＇’的按钮（界面从略），点击按钮将触发对蓄电池和超级电容参数的预匹配过程，通过用户设定的续驶里程需求、加速需求、爬坡需求及最大速度需求，粗略计算出最佳的匹配方式，并最终显示于Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面中。其中，预匹配功能由新加的ｐｒｏａｕｔｏｓｉｚｅ＿ｃｈｄ．ｍ文件实现，该文件放置于ｇｕｉ目录，其主干代码为：４．增加蓄电池和超级电容预匹配功能ＡＤＶＩＳＯＲ允许用户设置汽车动力性能的目标参数，利用加速、爬坡仿真对汽车的能量源、电机、传动系等参数进行自动匹配，达到或接近用户设定的动力性能目标，点击主界面右上角的Ａｕｔｏｓｉｚｅ按钮（见图６．５）便可启动此功能。与ＥＶ等其它车型不同，ＥＶＣＨＤ同时使用蓄电池和超级电容提供动力能源，其自动匹配要更为复杂，原有匹配算法已经无法实现这一功能。这里，以第四章的相关理论作为支撑，从蓄电池．超级电容预匹配、基于能量指标的调整优化两个方面对ＡＤＶＩＳＯＲ软件进行扩展。下面，先对蓄电池．超级电容预匹配进行说明。长安大学博士学位论文首先，在ＥＶ—ＣＩ－ＩＤ汽车的Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面中添加一个命名为“ｅｓｓ／ｅｓｓ２ｐｒｅ－ｓｉｚｅ”的按钮（界面从略），点击按钮将触发对蓄电池和超级电容参数的预匹配过程，通过用户设定的续驶里程需求、加速需求、爬坡需求及最大速度需求，粗略计算出最佳的匹配方式，并最终显示于Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面中。其中，预匹配功能由新加的ｐｒｅａｕｔｏｓｉｚｅｃｈｄ．ｍ文件实现，该文件放置于ｇｕｉ目录，其主干代码为：ｆｕｎｃｔｉｏｎ、啭Ｉ％蓄电湛超级电容预匹配函数ｇｌｏｂａｌｖｉｎｆ；ｅｓｓｌｂ｜ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ（２）；％读入初始设ｉ值ｅｓｓ．ｕｂ。ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ（３）；ｅｓｓ２＿ｌｂ＝ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ２（２）；ｅｓｓ２＿ｕｂ＝ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ２（３）；％屹处省略部分禹户界面代码．允许用户改变蓄电湛超级电容个数界限．并允许霸户设ｌ汽车动力性能Ｅ标参数ｅｓｓ＿ｃｈｏｉｃｃｓ—ｒｈ％通过续驶里程、加速、挺坡及最大速度限翩找寻司甬匹配ｅｓｓ２．．ｃｈｏｉｃｅｓ—ｆｌ；ｆｏｒｉ。ｅｓｓ＿ｌｂ：１：ｅｓｓ＿ｕｂｆｏｒｊ—ｅｓｓ２＿ｌｂ：Ｉ：ｅｓｓ２＿ｕｂｉｆｄｉｓｔａｎｃｅ—ｔｅｓｔ—ｃｈｄ（ｉ．Ｊ）＆ａｃｃｅｌ—ｔｅｓｔ—ｃｈｄ（ｉ，ｊ）＆ｇｒａｄｅｔｅｓｔｃｈｄ（ｉ，ｊ）…＆ｓｐｅｅｄｔｅｓｔｃｈｄ（ｉ，ｊ）ｅｓｓ＿ｃｈｏｉｅｅｓ，－［ｅｓｓｃｈｏｉｃｅｓ，ｉ１；ｅｓｓ２＿ｃｈｏｉｃｃｓｔ［ｅｓｓ２＿ｃｈｏｉｃｃｓ，ｉ１；ｅｎｄｅｎｄｅｎｄｉｆｉ∞ｍｐｔｙ（ｅｓｓ＿ｃｈｏｉｃｅａ、％若无合适匹配．选胃原值ｃｓｓｎｕｍ—ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ（１）；ｃｓｓＺ．＿ＩＩｕｍ；ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ２（Ｉ）；ｒｅｔｕｒｌｉｅｎｄｍｉｎ＿ｍａｓｓｌＩｎｆ；％若存在·选甬总覆ｔ最小者ｆｏｒｉ—ｈｈＩｃｎｇｔｈ（ｅｓｓ＿．ｃｈｏｉｃｃｓ）ｍｚｅｖａｉ（‘ｂａｓｅ’，‘ｃｓｓ．．ｍｏｄｕｌｃ＿ｍａｓｓ’）’ｅｓｓ＿ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ）４－…ｅｖａｌ（‘ｂａｓｅ’。‘ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｍａｓｓ’）’ｅｓｓ２＿ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ）；ｉｆｍ＜ｍｉｎ＿ｍａｓｓｍｉｎ＿ｍａｓｓ＝ｍ：ｅｓｓ．．ｎｕｍ。ｃｓｓ＿ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ）；１２９第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真ｍｓ２＿ｈｕｍ２ｅｓｓ２＿ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ）；ｅｎｄｅｎｄｒｅｔｕｒｎ在该段代码中，ｄｉｓｔａｎｃｅ—ｔｅｓｔ—ｃｌａｄ、ａｃｃｅｌ＿ｔｅｓｔｃｈｄ、ｇｒａｄｅ＿ｔｅｓｔ＿ｃｈｄ、ｓｐｅｅｄ．，值尔布ｃｈｄ回返，数函试测度速大最及坡爬、速加、程里驶续为别分也在ｐｒｏａｕｔｏｓｉｚｅｃｈｄ．ｉｎ文件中予以实现。此外，ＥＶＣＨＤ车型引入了双能量源，因此该车型对应的Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面、加速测试参数配置界面、坡度测试参数配置界面均需作以调整，图４．１７即为修改后的Ａｕｔｏｓｉｚｅ界面。对应的代码修改均在ｇｕｉ文件夹之ａｕｔｏｓｉｚｅｓｅｔｕｐ．ｍ文件中，修改细节从略。５．修改基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真的匹配优化方法ＡＤＶＩＳＯＲ软件基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真的汽车能量源、电机、传动系等的参数匹配主要在ｇｕｉ文件夹之ａｕｔｏｓｉｚ．ｍ文件中实现，通过反复进行多次加速和坡度测试，找出最好的匹配方式。以纯电动汽车ＥＶ的蓄电池匹配为例，每轮加速、坡度测试又往往利用蓄电池个数二分算法进行最佳电池个数查找。但是，ＥＶＣＨＤ使用蓄电池和超级电容为主辅双能量源，两种能量源均采用串并联组合方式。因此上述基于蓄电池个数的二分查找算法不再适用。如４．４节所述，考虑到不同蓄电池、超级电容匹配方式对应于不同的汽车质量与能量，改用双能量源总能量作为二分查找指标。对于每一个给定的总能量，又使用能量／质量比来衡量不同匹配方式的优劣，选择满足总能量要求的最优匹配作为每步二分查找的当前匹配。下面对修改过程进行简单说明。首先，在ｇｕｉ文件夹中增加ａｄｊｕｓｔｅｓｓｅｓｓ２ｃｈｄ．ｍ文件，实现基于总能量指标的二分调整功能，其主干代码为：ｆｕｎｃｔｉｏｎＩ咚＝ａｄｊｕｓｔｅｓｓｅｓｓ２＿ｃｈｄ（ｏｐｔｉｏｎｓ、％基于总能ｌ指标的蓄电池·超级电容个数二分调整函数ｅｓｓｌｂｔ州ａｌｉｎ（＇ｃａｌｌｅｒ＇．＇ｅｓｓ．３ｂ３；％瓢ａｕｔｏａ／ｘｅ函数中读入能ｉ潦个彀界限参数髑Ｉｌｂ＝ｃｖａｌｉｎ（。ｃａｌｌｅｒ＇，’ｃｓｓ＿ｕｂ３；ｅｓｓ２＿Ｉｂ＝ｅｖａｌｉｎ（‘ｃａｌＬ一，＇ｅｓｓ２＿ｌｂ＇）；ｅｓｓ２ｕｂｔｃｖａｌｉｎ（＇ｃａｌｌｃｒ＇，’嚣ｓ２ｕｂ－）；ｓｗｉｔｃｈｏｐｔｉｏｎｓ镄筑‘ｉｎｉｔｌ％裙始化．初设铯董边界ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ＇，＇ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙｉｂ’，瞄，ｓ＿ｍｏｄｕｌｃ．＿ｅｎｃｒｇｙ’ｅｓｓｌｂ＋…ｃｍ２＿ｍｏｄｕｌｃｍｅｒｇｙ。ｃｓｓ２＿ｌｂ）；长安大学博士学位论文ａｓｓｉｇｎｉｎ（＂ｏａｓｅ＇，ｃｖｃｈｄｃｎｅｒｇｙ．．ｕｂ’，ｅｓｓ＿．ｍｏｄｕｌｅ．．ｅｎｅｒｇｙ’ｅｓｓ＿ｕｂ＋…ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｅｎｅｒｇｙ’ｅｓｓ２＿ｕｂ）；ｃａｓｅＩｇｒａｄｅＩ％坡度溺试调整ｉｆｅｖａｌｉｎ（’ｃａｌｌｅｒ＇，’ｉｓｅｍｐｔｙ（ｍａｘ＿＿ｇｒａｄｅ）‘）ｌｅｖａｌｉｎ（＇ｃａｌｌｅｒ＇，。（ｍａｘ＿ｇｒａｄｅ－ｇｒａｄｅｇｒａｄｅ＜Ｏ）＇）ａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓ＿ｅｓｓ２＿ｃｈｄ（‘ｉｎｃｒｅａｓｅ’）；ｅｌｓｅａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓ＿ｅｓｓ２＿ｃｈｄ（‘ｄｅｃｒｅａｓｅ’）；ｅｎｄ；嘴乞、ａｃｃｃｌｔ％加逮涌试调整ｉｆｅｖａｌｉｎ（。ｃａｌｌｅｒ＇，。ｎｎｚ（（ａｃｃｅｌ＿ｔａｒｇｅｔｓ＞Ｏ）．＊ａｃｃｅｌ＿ｒ髂ｕｌｔｓ＜Ｏ）Ｉ…ｎｎｚ（（ａｃｃｅｌ＿ｔａｒｇｅｔｓ＞Ｏ）．＊（（ａｃｃｅｌ＿ｒｃｓｕｌｔｓ·ａｃｃｅｌ＿ｔａｒｇｅｔｓ）．＊ａｃｃｅｌ＿ｅｑｕａｌｉｔｙ＞Ｏ））’）ａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓ＿ｅｓｓ２＿ｃｈｄ（‘ｉｎｃｒｅａｓｅ’）；ｅｌｓｅａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓｅｓｓ２＿ｃｈｄ（‘ｄｅｃｒｅａｓｅ’）；ｅｎｄ；ｃ墩‘ｉｎｃｒｅａｓｅ”多址泻ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ＝ｅｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ＇，ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ．）；ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｌｂ＝ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅｅｎｅｒｇｙ‘ｅｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ，‘ｅｓｓｍｏｄｕｌｅ．．．ｎｕｒｎ＇）＋…ｃｖｅｓｓ２．．ｍｏｄｕｌｅ．．ｅｎｅｒｇｙ＋ｅｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ＇，＇ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ．．ｎｕｍ。）；ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ’，ｅｖ—ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｌｂ’，ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿Ｉｂ）；ｅｖｃｈｄｃｕｒｅｎｅｒｇｙ＝０．５·（ｅｖ—ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿Ｉｂ＋ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ）；ｂｅｓｔ＝ｃａｌｃ＿ｅｓｓｅｓｓ２＿ｎｕｍ＿ｂｙ＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ（ｅｖ＿ｃｈｄｃｕｒ＿ｅｎｅｒｇｙ）；ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ＇，’ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍｔ．ｂｅｓｔ（Ｉ））；ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ＇，’ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍ’，ｂｅｓｔ（２））；％鬣氟数据ｃ跚‘ｄｅｃｒｅａｓｅ”＝ｖ％Ｆ刃ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿Ｉｂ＝ｅｖａｌｉｎ（’ｂａｓｅ’，ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｌｂ３；ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ＝ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｅｎｅｒｇｙ’ｃｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ＇，’ｅｓｓｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍ＇）＋…ｃｖｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｅｎｅｒｇｙ‘ｅｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ＇，＇ｅｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｃ＿ｎｕｍ’）；ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ＇，＇ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ＇，ｅｖｃｈｄｅｎｃｒｇｙ．＿ｕｂ）；ｃｖｃｈｄｃｕｒｅｎｅｒｇｙ－０．５‘（ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿Ｉｂ＋ｅｖｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ）；ｅｓｓｂｅｓｔ－ｃａｌｃｅｓｓ２＿ｎｕｍ＿ｂｙ＿ｅｎｅｒｇｙ．．ｃｈｄ（ｃｖ．．ｃｈｄ．．ｃｕｒ＿ｅｎｅｒｇｙ）；％赋荻数据ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ３．、ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍｔ．ｂｅｓｔ（１））；ａｓｓｉｇｎｉｎ（＇ｂａｓｅ＇，＇ｃｓｓ２＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｎｕｍ’，ｂｅｓｔ（２））；澉‘ｉｓ＿ｃｏｎｖｅｒｇｅｄ。％检查能ｉ边界是否收敛ｒｅｓ＝（ｅｖａｌｉｎ（＂ｏａｓｅ’，’ｃｖ—ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｕｂ‘）－ｅｖａｌｉｎ（’ｂａｓｅ’，’ｅｖ—ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｌｂ’））…＜暑２·ｓｉｎｇｌｅ＿ｅｓｓ２＿ｃｎｅｒｇｙ；ｅｎｄｌ＇ｆｔｕｍ其中，ｅｖ＿ｃｈｄｅｎｅｒｇｙ＿ｌｂ、ｅｖ＿ｃｈｄ＿ｅｎｅｒｇｙ．．ｕｂ为新引入全局变量，表示能量指标的上下界。函数ｅｓｓ＿ｍｏｄｕｌｅ＿ｅｎｅｒｇｙ、ｅｓｓ２ｍｏｄｕｌｅ＿ｅｎｅｒｇｙ分别用来计算单个蓄电池和超级电容的能量，函数ｃａｌｃｅｓｓｅｓｓ２＿ｎｕｍ＿ｂｙ＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ用于根据给定能量推算最佳的电池组合。这些函数均定义于ａｄｊｕｓｔｅｓｓ＿ｅｓｓ２＿ｃｈｄ．ｍ文件中，以函数１３ｌ第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真ｔａｌｃｅｓｓｅｓｓ２＿ｎｕｍ＿ｂｙ＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ为例，其核心实现代码为：ｆｕｎｃｔｉｏｎ【ｅｓｓ＿ｎｕｍ，ｅｓｓ２＿ｎｕｍ】＝ｃａｌｃｅｓｓｅｓｓ２＿ｎｕｍ＿ｂｙ＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ（ｅｎｅｒｇｙ）％根据能量计算蓄电｝匦超级电容最佳匹配ｅｓｓｌｂ＝ｅｖａｌｉｎＬ＇ｃａｌｌｅｒ＇，＇ｅｓｓｌｂ，）；％从ａｄｊｕｓｔｅｓｓｅｓ￥２＿ｃｈｄ函数串读入能ｉ瀑个数界限参数ｅｓｓ＿ｕｂ＝ｅｖａｌｉｎ（’ｃａｌｌｅｒ＇，＇ｅｓｓｕｂ。）；ｅｓｓ２＿ｌｂ＝ｅｖａｌｉｎ（’ｃａｌｌｅｒ＇，＇ｅｓｓ２＿ｉｂ＇）；鹤ｓ２ｕｂ＝ｅｖａｌｉｎ（＇ｃａｌｌｅｒ＇。。ｅｓｓ２＿ｕｂ＇）；ｃｈｏｉｃｅｓ｜ｅｓｓ＿ｅｓｓ２＿ｍａｔｃｈ＿２＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ（ｅｎｅｒｇｙ）；％根据电池能量计算匹配，返回值格式为ｌｅｓｓｌ．ｅｓｓ２，ｅｓｓｌ，ｅｓ￥２，…１鹤ｓ＿ｎｕｍ＝ｃｈｏｉｃｅｓ（Ｉ）；％根据能１．质量浇来优选最佳匹配关系ｅｓｓ２＿ｎｕｍ—ｃｈｏｉｃｅｓ（２）；ｒａｔｉｏ＝ｃａｌｃｖｅｈｅｎｅｒｇｙ＿ｍａｓｓ＿ｒａｔｉｏ．＿ｃｈｄ（ｃｓ！—ｎｕＩ玑ｅｓｓ２＿ｎｕｍ）；％ｆｏｒｉ＝３：２：（１ｅｎｇｔｈ（ｃｈｏｉｃｅ）－１）ｉｍｐ＿ｒａｔｉｏ＝ｃａｌｃｖｅｈｅｎｅｒｇｙ＿ｍａｓｓ＿ｒａｔｉｏ．＿ｃｈｄ（ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ），ｃｈｏｉｃｃｓ（ｉ＋１））；ｉｆｔｍｐ＿ｒａｔｉｏ＞ｒａｔｉｏｒａｔｉｏ—ｔｒａｐ＿ｒａｔｉｏ；ｃｓ￥＿ｎｕｍ＝ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ）；ｅｓｓ２ｎｕｍ＝ｃｈｏｉｃｅｓ（ｉ＋Ｉ）；ｅｎｄｅｎｄｒｅｔｕｒｎ其中，函数ｅｓｓｅｓｓ２＿ｍａｔｃｈ＿２ｅｎｅｒｇｙ＿ｃｈｄ用于根据给定能量选择可行的蓄电池和超级电容匹配。在选择过程中，给定能量可以进行小幅上下变动，且蓄电池数目必须满足给定的串并联选项。函数ｃａｌｃ＿ｖｅｈ＿ｅｎｅｒｇｙ＿ｍａｓｓｒａｔｉｏｃｈｄ用于根据蓄电池和超级电容个数计算能量／质量比。两个函数均定义于ａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓｅｓｓ２＿＿ｃｈｄ．ｍ文件中，因为版面，其实现从略。其次，ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｍ文件也需要做一定改动，以适用新的二分查找算法。比如，每次重新设置蓄电池、超级电容个数边界时，必须同时设置总能量边界，对应代码为：ａｄｊｕｓｔ＿ｅｓｓ＿ｃｓｓ２ｃｈｄ（‘ｉｎｉｔ’）每次二分迭代时，检查边界收敛代码改为：ａｄｊｕｓｔｅｓｓｅｓｓ２＿ｃｈｄ（‘ｉｓ＿ｃｏｎｖｅｒｇｅｄ’）每次调整电机参数时，应同时考虑蓄电池和超级电容两种电源，对应代码为：其中，ｍａｔｃｈ…ｍｃｍａｔｃｈｍｃｔｏｅｓｓｅｓｓ２．＿ｃｈｄ（ｍｃ＿ｌｂ，ｍｃ．＿ｕｂ）ｔｏｅｓｓ—ｅｓｓ２一ｃｈｄ函数由ｇｕｉ文件夹中对应文件实现。最后，因为ＥＶ—ＣＨＤ引入了双能量源，ｇｕｉ文件夹ａｕｔｏｓｉｚｅ＿ｓｅｔｕｐ．ｍ文件中１３２长安大学博士学位论文对ａｕｔｏｓｉｚｅ函数的调用也必须修改，下面是一段示例代码：ａｕｔｏｓｉｚｅ（！。…ｖｉｎｆ．ｇｒａｄｅ＿ｔｅｓｔ，…ｖｉｎｆ．ａｃｃｅｉ＿ｔｅｓｔ，…［ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｆｃ（２：ｅｎｄ）；ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｃ．ｃｖ．ｅｓｓ（２：ｅｎｄ）；…ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｅＶ．ｍｃ（２：ｅｎｄ）；ｖｉｎｆ．ａｕｔｏｓｉｚｅ．ｃｖ．ｅｓｓ２（２：ｅｎｄ）］）６．对其它·．ｍ文件的修改在ＡＤＶＩＳＯＲ２００２中，大量处理需要针对不同的车型进行定制。因此，此次二次开发的代码改动涉及了大量文件。相比于前述改动，其它·．ｍ文件的修改基本上具有类似模式，比如：ｉｆ—ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｒａｉｎ．ｒｌａｌｎｅ。‘ｅｖ’）＆…ｉｆ－－．ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ．ｎａｎｌｅ。‘ｅｖ’）－－ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｕ＇ａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｅｖｃｈｄ’）ｅｌｓｅ＝’ｅｌｓｅｅｎｄｅｎｄｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｎ＇ａｉｎ．ｎａｇｆｌｅ，‘ｅｖ’）ｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｅｖ’）……净ｅｌｓｅｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｃｖ＿ｃｈｄ’）ｅｎｄｅｎｄｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖ翻ｒａｉｎ．ｎａｍｅ，，‘ｅｖ’）Ｉ．．．ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｃｖ．．ｃｈｄ’）ｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ．ｎａｍｃ，‘ｅｖ＿ｃｈｄ’）ｅｎｄｅｎｄｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｒａｉｎ．ｎｓｌ＇ｎｅ。‘ｅｖ’）｜．．．ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｅｖ．．ｃｈｄ’）ｅｎｄｉｆ－嘻ｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，…ｉｆ—ｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｃｔｍｉｎ．ｎａｍｅ，…‘ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ’）‘ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ’）辛……ｉｆｓｔｒｃｍｐ（ｖｉｎｆ．ｄｒｉｖｅｔｒａｉｎ．ｎａｍｅ，‘ｅｖ＿ｃｈｄ’）ｅｎｄ１３３第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真ｅｌｓｅｅｎｄｅｎｄ总之，由于ＡＤＶＩＳＯＲ软件并没有提供较好的扩展支持，我们针对ＥＶ—ＣＨＤ汽车的ＡＤＶＩＳＯＲ２００２软件二次开发对大量文件进行了修改，几乎涵盖了软件的全部主干内容。仅以ｇｕｉ文件夹（不含子文件夹）为例进行粗略统计，二次开发后该文件夹共有ｍ文件１８４个，其中有４３个为新增或被修改文件。６．４双能量源纯电动汽车仿真结果及分析为验证双能量源系统及其模糊控制策略的优越性，本节结合典型行驶工况，分别针对双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车、双能量源纯电动汽车的模糊控为了比较双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车的性能，选用美国丹弗客车ＢＵＳＲＴＥ）、中心商业区工况（ＣＹＣＣＢＤｌ４）、纽约客车工况（ＣＹＣＮｅｗＹｏｒｋＢｕｓ）和德国纽伦堡客车工况（ＣＹＣＮｅｗｒｅｍｂｅｒｇＲ３６）作为试表６．２蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的动力性对比结果循环工况‘＼＼最高车速最大加速度０．５０ｋｍ／ｈ加１５ｋｍ／ｈ爬坡（ｋｍ／ｈ）（ｍ／ｓ２）速时间（ｓ）度（％）８３．１４．５０６．９＞２０％丹佛工况单能量源双能量源８３．４４．６０６．６＞２０％商、ｌｌ，阪Ｔ况单能量源８３．１４．５０６．９＞２０％双能量源８３．４４．６０６．６＞２０％纽约工况单能量源８３．１４．５０６．９＞２０％双能量源８３．４４．６０６．６＞２０％纽伦堡工况单能量源８３．１４．５０６．９＞２０％双能量源４．６０６．６对比结果、＼８３．４＼减少４．３５％～＼＞２０％制策略和逻辑门限控制策略两种情况，进行了仿真研究与结果分析。６．４．１蓄电池单雒量源与双能量源纯电动汽车的仿真结果及分析工况（ＣＹＣ验工况进行仿真分析。双能量源与单能量源纯电动汽车的各总成参数相同，其动力性、经济性和制动能量回收仿真结果分别如表６．２、表６．３和表６．４示。长安大学博士学位论文表６．３蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的制动能量回收对比结果循环工况电源型式总制动能量制动回收总能制动回收效率（１ｃＪ）量（ｋＪ）（％）３０７１２３．４１丹佛工况单能量源７１９双能量源２９９３９０３３０．１７２１８３７６４３５．００商业区工况单能量源双能量源２２１８８１５３６．７４２２．２４纽约工况单能量源１０６ｌ２３６双能量源１１１０３３９３０．５４２０．６０纽伦堡工况单能量源２８ｌｌ５７９双能量源３０７７６９ｌ２２．４６表６．４蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的经济性对比结果循环工况平均车速电能消耗（ｋＷｈ／１００ｋｍ）对比（ｋｍ／ｈ）单能量源双能量源丹佛工况７．２４１４．１８１３．７９减少０．３９商业区工况２０．４３１８．０９１７．３３减少０．７６纽约工况５．９３１３．１５１２．５６减少０．５９纽伦堡工况１４．３３１６．０３１５．４２减少０．６１一从表６．２可以看出，对于不同的典型循环工况，双能量源纯电动汽车在最高图６．６．６．９列出了四种循环工况下蓄电池单能量源与双能量源纯电动汽车的车速和最大爬坡度上都能满足整车需求，均达到８０ｋｍ／ｈ和２０％的坡度以上：与蓄电池单能量源对比，双能量源纯电动汽车的加速度有所提高；在Ｏ－－－５０ｋｍ／ｈ的加速时间上，双能量源的优势更加突出，比蓄电池单能量源纯电动汽车减少０．３ｓ，即４．３５％。从表６．３可以看出，对于上述四种循环工况，双能量源纯电动汽车相对于蓄电池单能量源的制动能量回收效率有不同幅度的上升，其中纽约工况上升最大，为８％左右。从表６．４可以看出，对于不同的典型循环工况，百公里电能消耗各不相同，其中纽约工况电能消耗较少，主要是超级电容在能量回收方面发挥了更好的作用，能量的利用率得到提高，从而增加了车辆的续驶里程。蓄电池和超级电容电流对比情况，图中曲线从上到下依次表示的是工况车速要求、单能量源蓄电池电流、以及双能量源中蓄电池和超级电容各自的电流。第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真㈧丹●工瓦■寮车娃化●蠢彻●ｔ■蠢中■电毫电蠢壹亿■曩枉｝取■量■中薯电浩电ｔ变化■蠢●∞∞Ｏ埘瑚铷¨取■■一中曩蕾电毫电娃诧●蠢图６．６双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车丹佛循环工况的仿真结果善啊螽柚ｌ撕§一．＇∞对ｆｌｌ一’＿Ｉ●ｔ■一中■电毫毫蠢壹诧●簟撕妒．嘲■曩■■■中一■ｔ●皇ｔ壹亿■■图６．７双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车商业区循环工况的仿真结果１３６长安大学博士学位论文”察乒匹匹丑匹匹至一。时间。羞２０：［忆＾．～。．＾¨．．＾．＾＾．№，、．从一一时间，●∞疆ｌｅ量Ｉｌｌ中■毫毫电蠢支亿Ｉｌｌ■鸣巨Ｅ三互ｊ三三三三虿付田’Ｉ●疆■■一中■■电毫毫ｔ壹亿●簟图６．８双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车纽约循环工况的仿真结果时ｆｉｌｌ‘柑覆ｔ■一中■电池电蠢壹他■囊时田．－姗曩■■■中■曩电毫电蠢变化■簟图６．９双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车纽伦堡循环工况的仿真结果从图中可以看出，双能量源减小了大电流充／放电对蓄电池的冲击，使蓄电池功率输出尽可能保持恒定和平滑，从而延长蓄电池的使用寿命，实现了应用超级电容为蓄电池缓冲电流的峭０峰填谷”思想。总之，双能量源在保证整车动力性的前提下，充分发挥了超级电容的作用，增强了驱动电机的助力性能，还避免了蓄电池的大电流充／放电，延长了蓄电池１３７第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真的使用寿命，提高了能量源的充／放电效率，有利于制动能量的回收，从而提高了电动汽车续驶里程，达到动力性能和经济性能的统一。６．４．２双能量源逻辑门限与模糊控制策略的仿真结果及分析为了分析双能量源模糊控制策略的优越性，下面将模糊控制与逻辑门限控制策略进行仿真对比。首先，对文献【６１】所给出的传统逻辑门限控制策略进行扩展，增加对超级电容ＳｏＣ的检测与分析，如图６．１０示。图６．１０逻辑门限控制策略框图逻辑门限控制策略是通过判断需求功率‰与名、匕的大小关系，并判断超级电容ＳＯＣ∞，对蓄电池和超级电容的输出功率‰、‰进行设定。比如，若电机要求功率大于平均正功率匕，并且此时超级电容ＳＯＣ嗽值大于设定的最小值ＳＯＣ．肌妯，则蓄电池和超级电容共同工作；引入滤波函数Ｆ（ｓ）让蓄电池的需求功率滞后一定的时间缓慢增加，不足的功率由超级电容补充，此时蓄电池的功率需求为气＝巴ｘＦ（ｓ），超级电容的功率需求为乞＝己一兄：若电机要求功率１３８长安大学博士学位论文小于平均负功率，并且ＳＯＣ呲大于ＳＯＣｕ伽“，此时电容已不需要充电，制动能量全部充入蓄电池。这样，无论充电还是放电，蓄电池的功率一般不会超过电机要求的平均功率，并且变化平缓，有利于提高电池效率，延长使用寿命。逻辑门限与模糊控制策略的仿真对比结果如表６．５和表６．６示。从表６．５可以看出，对于不同的典型循环工况，采用门限控制策略和采用模糊控制的双能量源纯电动汽车动力性能均能达到要求，但是模糊控制策略相对逻辑门限控制策略更能提高车辆的加速性能，优化车辆的动力性能。从表６．６可以看出，对于不同的典型循环工况，模糊控制策略能够降低电动汽车百公里耗电量，提高电动汽车的经济性能。表６．５纯电动汽车双能量源两种控制策略的动力性对比结果０．５０循环工况控制策略最高车速ｋｍ／ｈ加１５ｋｍ／ｈ爬坡（ｋｍ／ｈ）速时间（ｓ）度（％）丹佛工况门限控制８３．２６．８＞２０％模糊控制８３．４６．６＞２０％商业区工况门限控制８３．２６．８＞２０％模糊控制８３．４６．６＞２０％门限控制８３．２６．８＞２０％纽约工况模糊控制８３．４６．６＞２ＣＩ％纽伦堡工况门限控制８３．２６．８＞２０％模糊控制８３．４６．６＞２０％表６．６纯电动汽车双能量源两种控制策略的经济性对比结果平均车速循环工况电能消耗（ｋＷｈ／１００ｋｍ）差别（ｋｎｇｈ）门限控制模糊控制（ｋ删１００ｋｉｎ）丹佛工况７．２４１４．４７９５１３．７９０．５１商业区工况２０．４３１８．１９６５１７．３３０．４０纽约工况５．９３１３．１８８１２．５６０．３４纽伦堡工况１４．３３１６．１９ｌ１５．４２０．４９６．５本章小结本章首先以ＡＤＶＩＳＯＲ２００２仿真软件为基础，通过二次开发得到界面友好且适合蓄电池和超级电容双能量源纯电动汽车的仿真软件，可以完成双能量源纯电动汽车的仿真验证功能；其次，结合美国丹弗客车、中心商业区、纽约客车和德国纽伦堡客车四种循环工况，对双能量源与蓄电池单能量源纯电动汽车进行了仿真分析，对双能量源纯电动汽车进行了多种工况下的整车性能仿真；仿真结果表明，双能量源满足了电动汽车对比能量和比功率的双重要求，提高能量源的充放１３９第６章基于ＡＤＶＩＳＯＲ二次开发的双能量源纯电动汽车仿真电效率，有利于制动能量的回收，达到动力性能和经济性能的统一；最后，为了分析双能量源模糊控制策略的优越性，将模糊控制与逻辑门限控制策略进行仿真对比；仿真结果表明，模糊控制策略相对逻辑门限控制策略更能提高车辆的加速‘性能、最高车速、爬坡度，以及降低纯电动汽车百公里耗电量，达到了延长电源寿命、改善整车性能的预期目标。长安大学博士学位论文第７章总结与展望７．１全文总结与传统内燃机汽车相比，电动汽车在环境保护与节能方面具有不可比拟的优势，在当今“节能”和“环保”的世界科技发展的大环境下，电动汽车已经成为各国和著名汽车商的研发热点。本论文着眼于高性能纯电动汽车研发，以陕西省重点科技攻关计划项目“纯电动汽车试验车研究”（批号：２００１Ｋ１０．ＧＩ）为依托，以开发高性能、高效率的电动汽车驱动系统并设计相应控制策略为目的，研究电动汽车动力系统建模、电驱动系统、能量管理策略、仿真和整车集成控制技术等，通过分析比较和仿真实验验证，获得电动汽车研制的实际经验和理论数据。具体而言，本文的主要研究工作包括：１．蓄电池单能量源纯电动汽车建模与控制策略设计。在分析电动汽车动力学模型的基础上，建立了纯电动汽车动力学数学模型，包括汽车行驶方程、电机模型和驱动变换器模型。针对蓄电池单能量源纯电动汽车，以车速为控制目标，对永磁直流电机驱动电动汽车的三种控制策略进行重点探讨，主要包括系统构成、稳态参数计算、动态结构图和系统特点。此外，还对电动汽车三种制动控制策略进行研究，分析了长下坡制动时电枢电流和坡度角之间的关系。利用在Ｍａｔｌａｂ环境下建立的模型和控制策略验证了理论结果的正确性。２．蓄电池单能量源纯电动试验样车控制系统设计与功能测试。以城市公交中巴车作为纯电动汽车的改装对象，简要介绍了纯电动试验样车的基本结构、完成了控制系统配套所需电气控制线路的设计。在此基础上，提出了控制器系统的总体设计方案，完成了器件选型、硬件电路设计、软件程序设计等工作，同时制作了控制器电路板、触发保护线路和二象限ＰＷＭ功率变换装置。为了便于调试和重要参数显示，完成了智能仪表盘的软硬件设计。在实验室完成了系统功能测试。３．纯电动汽车双能量源系统设计及参数匹配与优化。根据超级电容加双向ＤＣ／ＤＣ变换器与蓄电池并联的结构，设计了双能量源系统的主回路电路结构，并对其工作原理进行了详细分析，以满足纯电动汽车对比能量和比功率的双重要求。在此基础上，根据整车的性能要求和配置情况，分别从能量和功率角度对双能量源系统的蓄电池、超级电容单体串联数目及各节容量进行了理论计算和匹配１４ｌ第７章总结与展望设计。扩展汽车动力学仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ２００２，对双能量源系统的参数匹配进行了优化。仿真结果显示，最终参数匹配可以很好满足各项量化需求。４．纯电动汽车双能量源系统模糊控制策略研究。根据纯电动汽车的不同工作状态，设计了双能量源电动汽车的双向ＤＣ／ＤＣ变换器在不同状态下的模糊控制策略。针对双能量源纯电动汽车的制动力分配和能量管理问题，提出了双能量源制动力分配和能量管理的模糊控制策略。同时，结合典型循环工况，从整车经济性、动力性、电源效率和制动能量回收四个角度对所制定的双能量源模糊控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明，模糊控制策略可以合理分配蓄电池和超级电容的输入输出功率，综合发挥双能量源特长，提高汽车的动力性和经济性。５．基于ＡＤＶＩＳＯＲ软件的双能量源电动汽车的建模与仿真。对开源仿真软件ＡＤＶＩＳＯＲ２００２进行二次开发，建立双能量源纯电动汽车整车仿真平台，使之支持双能量源电动汽车的仿真功能。结合四种典型循环工况，对单能量源与双能量源电动汽车、双能量源纯电动汽车的逻辑门限和模糊控制策略的动力性、经济性、制动能量回收比等进行了对比分析。结果表明，双能量源纯电动汽车在动力性、经济性、制动能量回收比等方面亦均优于单能量源纯电动汽车，模糊控制策略在动力性提高上优于逻辑门限控制策略。７．２研究展望本文的研究工作取得了一定的进展，但根据双能量源电动汽车的理论和应用需求，还有很多问题需要进一步研究。作者认为，现阶段这些问题至少应当包括如下内容：１．基于电路分析的双能量源参数匹配优化。建立双能量源稳压、稳流的数学模型，根据模型对电容个数、电容容量、续流电感感抗等参数进行计算，并基２．纯电动汽车控制策略扩展与优化。结合试验车辆实地应用测试，对单能电动汽车的控制策略进行理论扩展，并通过仿真实验对不同控制策略的效果进行３．纯电动汽车汽车功能扩展。结合现代汽车的多样化发展趋势，从功能上１４２于计算机仿真与台架试验进一步优化双能量源系统的主辅能量源匹配参数。量源纯电动汽车的控制策略进行修正，优化汽车的实际性能。对单、双能量源纯对比、分析和评价。对双能量源纯电动汽车的数学模型、电路结构、控制策略等进行深入研究。长安大学博士学位论文参考文献【ｌ】余志生．汽车理论（第四版）【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００６．［２】Ｒａｂｍ锄Ｓ，ＣａｓｔｒｏＡ．Ｄ．．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ－Ａｇｌｏｂａｌｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓａｔｉｏｎ．１９９５，１０（２）：３０７－３１３．【３】陈清泉．环境保护和电动车的开发【Ｊ】．江苏机械制造与自动化．２０００，（Ｉ）：３－７．【４】陈清泉．现代电动汽车技术【Ｍ】．北京：北京理工大学出版社，２００２．【５】边耀璋．汽车新能源技术【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００３．【６】陈全世，朱家琏，田光宇．先进电动汽车技术［Ｍ】．北京：化学工业出版社，２００７．【７】万钢．中国电动汽车的现状和发展［Ｊ】．中国环保产业．２００３，（２）：３０－３３．【８】祝嘉光，陆宗逸．电动客车应用研究的现状［Ｊ】．商用汽车．２００４，（８）：３９４１．【９】Ｃｈａｕｔ，ＷｏｎｇＹＳ．．Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ叨．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ．２００１，４２（９）：１０５９·１０６９．【１０】马侨．超级电容电车、快速充电站系统研制川．城市公共交通．２００５，（１）：４８１．４９０．【１１】宋慧，胡骅．电动汽车的现状及发展［Ｊ】．汽车电器．２００１，２３（４）：１０２·１０５．【１２】ＣｈａｕＫ．Ｔ．，ＷｏｎｇＹＳ．，ＣｈａｎＣ．Ｃ。ＡｎｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｅｎｅｒｇｙＳＯＩＵ＇ＣＣＳｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ．１９９９，４０（１０）：１０２１－１０３９．ｆ［１３】中国电工技术学会电动车辆研究会，中国汽车工程学会电动汽车分会．信息交流【Ｃ】．电动车辆研究与开发，２００８，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室．【１４】曹秉刚，张传伟，白志峰，等．电动汽车技术进展和发展趋势［Ｊ】．西安交通大学学报．２００４，３８（１）：１－５．【１５】ＣｈａｎＣ．Ｃ．，ＷｏｎｇＹＳ．．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．Ｔｈｅ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，２００４，ＰＰ．４６－５７．【１６】胡林，谷正气，黄晶，等．电动汽车的关键技术分析【Ｊ】．机械制造，２００５，４３（４９４）：４５—４７．【１７】陈伯时．电力拖动自动控制系统一运动控制系统（第３版）［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００６．１４３参考文献【１８】ＣｉｋａｎｅｋＳ．Ｒ．，ＢａｉｌｅｙＫ．Ｅ．．Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ【Ｃ】．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００２，ＰＰ．３１２９．３１３４．【１９】李竟成．电动汽车驱动控制与再生制动研究【Ｄ】．西安：西安交通大学，２００３．【２０】卫国爱，全书海，朱忠尼．电动汽车驱动用无刷直流电动机的控制与仿真【Ｊ】．电机与控制应用，２００９，３６（１）：１６·１９，３１．【２１】黄斐梨，王耀明，姜新建，等．电动汽车永磁无刷直流电机驱动系统低速能量回馈制动的研究【Ｊ】．电工技术学报，１９９５，８（３）：２８－３２．【２２】赵辉，李铁才，孙立志，等．电池供电的永磁电动机系统的再生制动【Ｊ】．电机与控制学报，１９９９，３（４）：２０７．２１１．【２３】尹安东，赵韩，张炳力．微型电动轿车制动能量回收及控制策略的研究叨．合肥工业大学学报（自然科学版），２００８，３１（１１）：１７６０－１７７７．【２４】张毅，杨林，朱建新，等．电动汽车能量回馈的整车控制【Ｊ】．汽车工程，２００５，２７（１）：２４－２７．【２５】罗禹贡，李蓬，金达锋，等．基于最优控制理论的制动能量回收策略研究【Ｊ】．汽车工程，２００６，２８（４）：３５６—３６０．【２６】陈家新，江建中，汪信尧．电动车能量再生控制及可靠性研究【Ｊ】．电气传动自动化，２００２，２４（６）：３０－３３．【２７】刘博，杜继宏，齐国光．电动汽车制动能量回收控制策略的研究【Ｊ】．电子技术应用，２００４，（１）：３４．３６．【２８】倪光正．现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车基本原理、理论和设计ｆＭ】．北京：机械工业出版社，２００８．【２９】ＧＢ／Ｔ１８４８８．１．２００１电动汽车用电机及其控制器技术条件ｉｓ］．北京：中国标准出版社，２００１．【３０】刘晓升，王宜怀．嵌入式系统使用ＨＣＳｌ２微控制器的设计与应用【Ｍ】．北京：北京航空航天大学，２００８．【３ｌ】孙同景．Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ９Ｓ１２十六位单片机原理及嵌入式开发技术【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００８．【３２】赵新龙．电动汽车蓄电池性能测试方法研究及实验台开发【Ｄ】．西安：长安大学。２００８．——————————————————————————————————————————————————————————————————————————一——长安大学博士学位论文【３３】ＧＢ／Ｔ１８３８５－２００１电动汽车动力性能试验方法【Ｓ】．北京：中国标准出版社，２００１．【３４】曹成昆，何彬，唐航波，等．混合动力汽车真彩液晶数字仪表软件设计【Ｊ】．上海交通大学学报，２００８，１２（７）：１０８１－１０８４．【３５】梁广省．基于ＣＡＮ总线和ＡＲＭ的汽车液晶仪表的设计与研究【Ｄ】．南京：南京航空航天大学，２００７．【３６】武翠琴杨金岩李艾华．ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０及其应用［Ｊ】．国外电子元器件，２００１，（１０）：４８－５０．【３７】ＡＴ２４４０ＥＶＢ－ＩＩ开发板使用手册ｖ１．５【Ｍ】．广州朗成电子科技有限公司．【３８】梁伟栋，郭浩．ＭＣＧＳ组态软件设计及其应用阴．广东自动化与信息工程，２００５，（１）：３３－３５．【３９】魏先民ＣＡＮ总线技术在汽车仪表中的应用【Ｊ】．潍坊学院学报，２００８，８（２）：４９．５０．【４０】郭应时，袁伟．汽车实验学【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００６．【４１】ＧＢ／Ｔ１８３８６－２００５电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法【Ｓ】．北京：中国标准出版社，２００５．【４２】ＰａｎｄｏｌｆｏＡ．Ｑ，ＨｏｌｌｅｎｋａｐＡ．Ｆ．．Ｃａｒｂｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｒｏｌｅｉｎｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ【Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２００６，１５７（１）：１ｌ－２７．【４３】储军，陈杰，李忠学．电动车用超级电容器充放电性能的实验研究【Ｊ】．【４４】Ｏ船Ｍ．Ｅ．，Ｍｏｒｅｎｏ机械，２００４，３１（３）：２０－２２．Ｊ．，ＤｉｘｏｎＪ．Ｗ．．Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ－ｂａｓｅｄａｕｘｉｌｉａｒｙｅｎｅｒｇｙｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｌｌｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ：Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，５４（４）：２１４７－２１５６．【４５】ＭｏｒｅｎｏＪ．，ＯｒｔｕｚａｒＭ．Ｅ．，ＤｉｘｏｎＪ．Ｗ．，Ｅｎｅｒｇｙ—ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒａＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，ＵｓｉｎｇＵｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓａｎｄＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６，５３（２）：６１４－６２３．【４６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作者：

学位授予单位：

汪贵平长安大学

1. 张亚军 双能量源纯电动汽车驱动与再生制动控制策略研究[学位论文]20112. 田毅 电动汽车运行状态识别及HEV控制策略研究[学位论文]2010

3. 刘丽艳 电动汽车制动能量回收控制方法分析[期刊论文]-科技与生活2011(10)4. 史骏 纯电动汽车驱动控制系统研究[学位论文]2011

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1948521.aspx