一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，采用動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，而超級電容器與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。功率總線將電機(jī)需求總功率送入DC/DC變換器控制策略中，由DC/DC變換器控制策略將總功率按照實(shí)際工況需求分配給動(dòng)力電池和超級電容器。本發(fā)明能控制整車的電功率需求在電池和超級電容器之間的流動(dòng)，充分發(fā)揮超級電容器快速、高效充放電的特性來緩解大電流對電池的沖擊，回收制動(dòng)能量，延長電源工作壽命，實(shí)現(xiàn)復(fù)合電源“削峰填谷”的思想。
【專利說明】一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源的能量存儲裝置，動(dòng)力電池為主要能源，超級電容器為輔助能源，控制策略采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球環(huán)境的惡化，能源日益緊缺，混合動(dòng)力汽車成為新型汽車開發(fā)的熱點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車電源裝置性能和成本是其發(fā)揮節(jié)能減排作用的重要基礎(chǔ)和前提條件。目前，混合動(dòng)力汽車使用的高比能量動(dòng)力電池和滿足混合動(dòng)力汽車使用的高比功率動(dòng)力電池均難以獨(dú)立滿足混合動(dòng)力汽車對動(dòng)力電池兼顧功率和能量的雙重需求,而將動(dòng)力電池和超級電容器組成復(fù)合電源使用，可以使動(dòng)力電池和超級電容器的優(yōu)勢互補(bǔ)，獲得良好的比能量和比功率特性，成為有效的解決途徑。
[0003]混合動(dòng)力汽車復(fù)合電源的控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略是目前研究的熱點(diǎn)，文獻(xiàn):Jesse Park, Besty Raju, Ali Emad1.Effects of an Ultracapacitor and BatteryEnergy Storage System in a Hybrid Electric Vehicle [J].SAE 2005-01-3452 和文獻(xiàn):J.N.Marie-Francoise.42V Power Net with supercapacitor and battery forautomotive applications [J].Journal of Power Sources 143 (2005): 275-283,均米用了邏輯門限控制策略對復(fù)合電源進(jìn)行了研究，同時(shí)對控制效果進(jìn)行評價(jià)，但是由于邏輯門限控制策略中控制規(guī)則固定，不能很好地解決動(dòng)力電池和超級電容器在助力放電時(shí)的功率分配問題，因此采用邏輯門限控制策略，動(dòng)力電池的充放電電流仍然很大，電源效率提高幅度有限，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性改善程度不佳，達(dá)不到超級電容器對動(dòng)力電池的“削峰填谷”的作用；文獻(xiàn):Yingming L v, Haiwen Yuan, Yingyi Liu, Qiusheng Wang.Fuzzy logicbased energy management strategy of battery-ultracapacitor composite powersupply of HEV[C].First International Conference on Pervasive Computing, 2010:1209-1214和文獻(xiàn):Guiping Wang, Panpan Yang, Jinjin Zhang.Fuzzy optimal controland simulation of battery-ultracapacitor dual-energy source storage system forpure electric vehicle[C].1nternational Conference on Intelligent Control andInformation Processing, Dalian China 2010: 555-560,都米用了模糊邏輯控制算法作為復(fù)合電源的控制策略，所不同的就是前者采用兩個(gè)模糊控制器分別對電機(jī)需求正功率和電機(jī)需求負(fù)功率進(jìn)行模糊化控制,而后者將電機(jī)正功率需求和負(fù)功率需求作為一個(gè)整體，采用一個(gè)模糊控制器實(shí)現(xiàn)模糊化控制。模糊控制策略相比于邏輯門限控制策略，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了功率的合理配置，優(yōu)化了動(dòng)力電池的充放電過程，電源利用率有所提高。但是，模糊邏輯控制策略在確立模糊化和解模糊的方法時(shí)，缺乏系統(tǒng)的方法，主要靠經(jīng)驗(yàn)和試湊；總結(jié)模糊控制規(guī)則比較困難；控制規(guī)則一旦確定，不能在線調(diào)整，不能很好地適應(yīng)工況的變化。
[0004]邏輯門限控制和模糊邏輯控制都是基于規(guī)則的控制策略，只是模糊邏輯控制策略中的門限值被模糊化了，規(guī)則的制定往往是靠人工經(jīng)驗(yàn)和不斷地試湊來獲得，難于自動(dòng)獲取，缺乏系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服以上兩種控制策略的不足，這里我們提出一種應(yīng)用于車載復(fù)合電源的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，它將模糊邏輯算法豐富的人工控制經(jīng)驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的長處。自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制更好地發(fā)揮了超級電容器的主動(dòng)性和高比功率特性,優(yōu)化了蓄電池的充放電過程,提高了混合動(dòng)力汽車的啟動(dòng)和加速性能，改善了再生能量的回收效率。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:包括動(dòng)力電池、超級電容器、DC/DC變換器、功率總線、DC/DC變換器控制策略，所述動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，超級電容器通過雙向DC/DC變換器與負(fù)載連接，超級電容器與DC/DC變換器串聯(lián)，再與動(dòng)力電池并聯(lián)，功率總線將電機(jī)需求總功率送入DC/DC變換器控制策略中，由DC/DC變換器控制策略將總功率按照實(shí)際工況需求分配給動(dòng)力電池和超級電容器。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向DC-DC變換器采用非隔離半橋結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩象限運(yùn)行，即變換器兩端電壓方向不變，電流方向改變，在功能上相當(dāng)于buck變換器和boost變換器的組合。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向DC-DC變換器采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，將動(dòng)力電池和超級電容器的荷電狀態(tài)以及電機(jī)需求總功率作為控制器的輸入，輸出為經(jīng)過控制器合理分配后的動(dòng)力電池和超級電容器需求功率。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)分割結(jié)構(gòu)，模糊系統(tǒng)采用T-S型，模糊規(guī)則為160條，均由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過自主學(xué)習(xí)制定。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
在自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略下，隨著工況的不斷變化，電池電流變化相對平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的尖峰電流。零值下方動(dòng)力電池的電流幅值變化非常小，電池在再生制動(dòng)過程中基本沒有被充電，這樣減少了電池的循環(huán)充放電次數(shù)，避免了對電池的大電流沖擊，有利于提高動(dòng)力電池的壽命；電池的荷電狀態(tài)和溫度變化較緩慢，變化幅度較小；超級電容器充分表現(xiàn)出其大電流充放電的優(yōu)點(diǎn):在加速和制動(dòng)過程中超級電容器能夠快速響應(yīng)，加速時(shí)提供車輛所需的峰值電流，制動(dòng)回收時(shí)吸收反向尖峰電流。超級電容器荷電狀態(tài)變化范圍較大，充分發(fā)揮了其快速充放電的優(yōu)勢，最大限度地吸收了再生制動(dòng)能量，對動(dòng)力電池進(jìn)行“削峰填谷”的作用明顯，既節(jié)約了能源又將有效延長車輛行駛里程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)圖；
圖2是雙向DC-DC控制模型圖；
圖3是雙向DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)圖；
圖4是自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略的訓(xùn)練樣本誤差圖；
圖5是自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；
圖6是自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略的第一輸入隸屬函數(shù)圖； 圖7是自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略的第二輸入隸屬函數(shù)圖；
圖8是自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略的第三輸入隸屬函數(shù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013]本發(fā)明一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源結(jié)構(gòu)采用動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，超級電容器與DC/DC變換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)；這種結(jié)構(gòu)形式由動(dòng)力電池直接對外輸出功率，能量轉(zhuǎn)換效率較高；超級電容器作為輔助能源通過DC/DC跟蹤檢測動(dòng)力電池端電壓，并調(diào)節(jié)自身電壓與動(dòng)力電池匹配工作，進(jìn)而保護(hù)動(dòng)力電池；由于動(dòng)力電池端電壓變化比超級電容器端電壓平緩，因而電壓調(diào)控容易實(shí)現(xiàn)。
[0014]雙向DC/DC變換器選用非隔離半橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)元器件數(shù)量少，造價(jià)低廉，沒有變壓器損耗，效率高，易于包裝和集成。雙向DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)兩象限運(yùn)行，即變換器兩端電壓方向不變，電流方向改變，在功能上相當(dāng)于buck變換器和boost變換器的組合。
[0015]雙向DC-DC變換器的控制策略則采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，將動(dòng)力電池和超級電容器的荷電狀態(tài)以及電機(jī)需求總功率作為控制器的輸入，動(dòng)力電池和超級電容器所要分擔(dān)的功率作為輸出，從而實(shí)現(xiàn)兩者能量的合理配置。
[0016]以上技術(shù)方案均在混合動(dòng)力汽車仿真軟件ADVISOR 2002下進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)，從而保證方案的可行性。
[0017]在圖1中，超級電容器與DC/DC變換器串聯(lián)，再與動(dòng)力電池并聯(lián)，功率總線將電機(jī)需求總功率送入DC/DC變換器控制策略中，由控制策略將總功率按照實(shí)際工況需求分配給動(dòng)力電池和超級電容器。
[0018]在圖2中，將動(dòng)力電池和超級電容器的荷電狀態(tài)，以及電機(jī)需求功率作為自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入，輸出則是通過控制策略分配給動(dòng)力電池和超級電容器的功率。
[0019]在圖3中，雙向DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)兩象限運(yùn)行，即變換器兩端電壓方向不變，電流方向改變，在功能上相當(dāng)于buck變換器和boost變換器的組合。當(dāng)開關(guān)管
SI以一定占空比開關(guān),D2為續(xù)流二極管時(shí)，變換器等效為buck變換器，能量由Vi流向Uc ,超
級電容器吸收能量。同理，當(dāng)開關(guān)管32以一定占空比開關(guān)，Dl為續(xù)流二極管時(shí)，變換器等
效為boost變換器，能量由K流向％，超級電容器釋放能量。
[0020]在圖4為訓(xùn)練樣本誤差圖，縱坐標(biāo)為誤差，橫坐標(biāo)為樣本數(shù)，訓(xùn)練誤差很小，幾乎趨近于O。圖5表示自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)分割結(jié)構(gòu)，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，第一層中輸入變量為3，因此神經(jīng)元的數(shù)量為3個(gè)；第二層中，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為14，語言變量也應(yīng)為14個(gè)；第三層為規(guī)則層，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)設(shè)計(jì)完成，使用的邏輯方法為“and”，共160條規(guī)則，因此該層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)為160 ;第四層表示模糊規(guī)則所得出的結(jié)論，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)均由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)分配；第五層為輸出層，神經(jīng)元的個(gè)數(shù)與輸出數(shù)據(jù)相同。圖6至圖8為由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)生成的三輸入隸屬函數(shù)圖，需要注意的是，自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出并不是以隸屬函數(shù)的形式出現(xiàn)的，而是一組結(jié)論數(shù)據(jù)。
[0021]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:采用動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，超級電容器與雙向DC/DC變換器串聯(lián)后再與動(dòng)力電池并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:包括動(dòng)力電池、超級電容器、DC/DC變換器、功率總線、DC/DC變換器控制策略，所述動(dòng)力電池與負(fù)載直接相連，超級電容器與DC/DC變換器串聯(lián)，再與動(dòng)力電池并聯(lián)，功率總線將電機(jī)需求總功率送入DC/DC變換器控制策略中，由DC/DC變換器控制策略將總功率按照實(shí)際工況需求分配給動(dòng)力電池和超級電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:所述雙向DC-DC變換器采用非隔離半橋結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩象限運(yùn)行，即變換器兩端電壓方向不變，電流方向改變，在功能上相當(dāng)于buck變換器和boost變換器的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:所述雙向DC-DC變換器采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略，將動(dòng)力電池和超級電容器的荷電狀態(tài)以及電機(jī)需求總功率作為控制器的輸入，輸出為經(jīng)過控制器合理分配后的動(dòng)力電池和超級電容器需求功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車車載復(fù)合電源，其特征在于:所述自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)格分割算法來確定，模糊系統(tǒng)采用T-S型，模糊規(guī)則為160條，均由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過自主學(xué)習(xí)制定。
【文檔編號】H02M3/10GK103490494SQ201310426784
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月18日
【發(fā)明者】王琪, 孫玉坤, 黃永紅 申請人:江蘇大學(xué)