新型双能量源纯电动汽车管理问题的优化控制

1、DOI:10.19595/j.1000-6753.tces.2008.08.023电 工 技 术 学 报TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY2008 年 8 月第 23 卷第 8 期Vol.23No.8Aug.2008新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化石庆升张承慧崔纳新济南 250061）（山东大学科学与摘要 新型蓄电池超级电容双能量源系统是目前纯电动汽车中的研究热点。如何合理分配双能量源系统中蓄电池和超级电容两者的功率，使车辆获得好的动力性能和性能是其中最为关键的问题。在分析能量系统的功率、车辆行驶中的阻力功率及约束条件基础上，建

2、立了以车辆能量消耗率和时间为目标函数的能量管理问题数学模型。然后，对双能量源存储系统的主要工作模式进行了分析，在此基础上设计了基于模糊逻辑的能量管理优化器，并在 ADVISOR 软件平台上实现了该最后，对比简单查表策略进行了器。模糊器采用了三输入、单输出的 mamdani 结构。研究。结果表明，文中提出的基于模糊逻辑的优化器通过有效地分配双能量源之间的功率，使车辆具有更好的动力性能和性能。：双能量源号：TP273系统 能量管理 优化模糊器Optimal Control of Energy Management in Novel Electric Vehicles With Dual-Sourc

3、e Energy Storage SystemShi QingshengZhang ChenghuiCui Naxin（Shandong UniversityJinan250061China）AbstractThe novel battery-ultracapacitor dual energy storage system is the hotspot of the pure electric vehicles (PEV) research. And how to effectively split the power between the batteries and theultra-c

4、apacitors to obtain good economy and acceleration performance is the most crucial problem.Based on the analysis of powers in energy storage system, thepowers during the vehiclesrunning and the constraints the energy storage system should obey, the mathematical mof energymanagement system is firstly

5、established, whose objective functions are energy consumption ratio and acceleration times. Then, four main operation modes of the dual-source energy storage system are presented. In the following, energy management controller based fuzzy logic is designed and implemented in ADVISOR software. The fu

6、zzy controller takes the mamdani structure and consists of three inputs and single output. Finally, compared to the look-up strategy, lots of simulations are carried on. The results show that, the proposed fuzzy energy management controller can more effectively split the powers in dual-sources energ

7、y storage system, and attain a better acceleration performance and economic performance.Keywords： Dual-source energy storage system, energy management, optimal control, fuzzycontroller自然科学基金（50477042）、高等学校博士点基金（20040422052）和山东省自然科学基金（Z2004G04）资助项目。收稿日期 2007-06-04 改稿日期 2007-08-21138电 工 技 术 学 报2008 年

8、8 月行约束条件，建立蓄电池-超级电容能量管理问题的数学模型，无疑是一项重要的工作。1引言2.1双能量源系统纯电动汽车中的功率分析纯电动汽车具有节能、低噪声、零排放等突出优点，是电动汽车发展的重要方向之一1。传统纯电动汽车中，蓄电池作为唯一的能量源，承担着车辆的全部功率负荷。这种结构对电池的冷启动时间、耐启动循环次数、对负荷变化的响应等提出了很高蓄电池-超级电容双能量源系统的功率流模型如图 1 所示。它描述了蓄电池、超级电容以及驱动系统之间功率流的输入输出关系。图中，Pbat、PUC 分别为蓄电池和超级电容的功率，二者既可以输出以驱动车辆行驶，也可以接收再生制动能量进的要求。为了降低成本、延长

9、，电池需尽量稳行充电。在正常行驶时，能量系统通过功率总定工作于低电流，且启动或刹车不太频繁的条件下。线输出电能驱动电机，电机将功率传递到驱动轮， 以克服驱动轮上的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和阻力等各种阻力功率。这大大限制了纯电动汽车的、爬坡等动力性能和能量回收性能。近年来发展起来的超级电容器具有比功率高、循环长等突出特点。它能大时量电荷，并且充放电迅速，能够在电动汽车提供足够高的峰值电流，制动时回收能量2-3。与蓄电池并联使用，可以有效地弥补蓄电池低比功率、不支持大放电电流等不足。因此将超级电容引入纯电动汽车能量 系统中，建立新型蓄电池-超级电容双能量源系统（以下简称双能量源系统）成为研究的

10、热点。目前，还鲜见关于纯电动汽车双能量源管理问题建模及优化方面的系统阐述。现有关于双能图 1电池-超级电容双能源系统量源的研究主要集中于电池汽车或混合电动汽车的能量系统4-5，这些场合下，双能量源系统是作Fig.1Diagram of dual energy storage system能量系统提供的功率 PESS(t) 由电池功率为辅助系统工作的，对要求不高，因此，大都Pbat(t)和超级电容功率 PUC(t)组成，即PESS(t)=Pbat(t)+PUC(t)直接对其工作模式进行分析，然后根据工作模式设（1）定简单的规则，而未对能量管理问题作系统地在行驶过程中，Pbat(t)和 PUC(t

11、)的大小根据电池组、超级电容自身的容量特性及功率总线需求功率来确定。根据汽车动力学原理6，克服驱动轮上各种阻力消耗的功率，可计算如下：阐述。同时提及的规则的设定相对简单，鲁棒性差。而在纯电动汽车中，双能量源是主要的能量源，它的性能直接决定着车辆的性能和经济性能。基于上述问题，本文对纯电动汽车中双能量源管理问题的建模与优化建立了以车辆的能量消耗率和进行了研究。首先时间为目标函= Gf cosaVaP（2）f3600CD AVa3数，以功率约束、SOC 约束等为约束条件的双能量源系统能量管理问题的数学模型。然后，设计Pw =（3）76 140了基于模糊逻辑的能量管理优化器。最后，利G sin aV

12、用电动汽车软件平台 ADVISOR 实现了提出的P =a（4）i3600优化策略，并对比简单查表策略，进行了= d GVa dV性能和性能方面的研究。P（5）j3600g dt2新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的建模式中，Pf 为克服行驶滚动阻力所消耗的功率；Pw 为克服空气阻力所消耗的功率；Pi 为克服坡度阻力所消耗的功率；Pj 为克服阻力所消耗的功率；G新型蓄电池-超级电容双能量源系统是纯为车辆的总重；f 为滚动阻力系数；CD 为空气阻力系数；A 为迎风面积；Va 为车速；a 为道路的坡度电动汽车能量系统发展的重要方向。正确分析能量系统的功率、车辆行驶中的阻力功率及运第 23 卷第 8

13、期石庆升等 新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化139角；d 为质量换算系数。换算系数。由此，建立如下蓄电池-超级电容电动汽车能量管理问题的数学模型：假设能量系统功率总线至驱动轮之间的传输效率为h，则车辆的需求功率 Pveh 为min (ECR, tacc ) K(t), KUC (t)P= 1 (P + P + P + P )（13）vehfwijbathtÎ0,T 1 æ Gf cosaVaCD AVa3G sinaVad GVadV öP(t) = P(t)t Î (0,T )s.t.（14）（15）（16）（17）= h ç+

14、47;（6）ESSvehè360076dtøKbat(t)+KUC(t)=1SOCbatmin (t) SOCbat (t) SOCbatmax (t)SOCUCmin (t) SOCUC (t) SOCUCmax (t) 2.2约束条件（1）功率约束。为保证车辆的有效运行，能量系统提供的功率应等于行驶时车辆的需求功率：3双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化PESS (t) = Pveh (t) 式中，T 为车辆行驶时间。t Î (0,T )（7）如何确定蓄电池、超级电容的功率分配因子Kbat(t)和 KUC(t)是纯电动汽车能量管理系统

15、实时优假设 t 时刻蓄电池组、超级电容的功率分配因子分别为 Kbat(t)和 KUC(t)，则两者分配的功率可写为化的关键。而能量系统工作模式分析是确ìPbat (t) = PESS (t)Kbat (t) 定功率分配因子的基础。因此，在设计优化策（8）íP(t) = P(t)K(t) î UCESSUC略之前，需要对能量细致地分析。3.1双能量源能量系统的工作模式进行较为则有系统工作模式的分析Kbat(t)+KUC(t)=1（9）新型蓄电池超级电容能量系统工作过程（2）电池、超级电容的 SOC 约束。对于电池简述如下：当车辆起步时，超级电容优先大电流放电，启动汽

16、车。当汽车以巡航速度行驶时，在保证汽车正常行驶的条件下，优先让蓄电池单独工作。组和超级电容而言，为了延长其两者的 SOC 要尽量工作在一定的，使用过程中，范围内，即SOCbatmin (t)SOCbat (t)SOCbatmax (t) SOCUCmin (t) SOCUC (t)SOCUCmax (t) （10）（11）当汽车急行驶时，蓄电池和超级电容同时工作，输出大电流满足电高功率需求；同时，策如果 SOC 太高，就不容易尽可能多地回收再生能量，造成这部分能量的白白浪费；另一方面如果略准确地调节蓄电池和超级电容输出电流的比例，限制两者电流的输出，以延长它们的。当汽车SOC 太低，可能无法提

17、供大的功率，从而影响时，电再生电流经 DC/DC 功率变换器制动车辆的性能。实际运行中，蓄电池和超级电容后，根据策略，优先向超级电容充电，多余部的 SOC 安全范围一般分别为0.5, 0.8和0.2, 0.9。2.3能量管理问题模型能量管理的目的是在满足车辆需求功率和能量系统正常工作要求的条件下，通过合理分配电池组和超级电容承担的功率，即调节两者的功率分配因子， 使得车辆 的能量消 耗率（ Energy Consumption Ratio，ECR）最小，时间 tacc 最少。分能量给蓄电池充电。这样，其主要工作模式可以分为四种：（1）超级电容单独提供驱动功率模式。此模式主要于瞬时功率需求很大的

18、车辆起步和短时加速过程。此时，相比于蓄电池，超级电容能够更好地满足这一要求，车辆需求功率将主要由超级电容来提供，而蓄电池不工作。（2）蓄电池单独提供驱动功率模式。在车辆巡能量消耗率是衡量纯电动车辆性的重要指标之一，它表示车辆运行 100km 所消耗的能量，单位为 kWh/100km。一般可按照如下公式计算：航行驶时，即使车速很高，其需求功率也太高。这种模式下，蓄电池将单独提供驱动功率，而超级1.1´10-7 E_J ECR =（12）电容不工作，此外，需求功率较小的也可采用这种模式。（3）电池/超级电容共同驱动模式。过程中，L式中，L 为汽车的行驶距离，为 km；E_J 为车过程辆行

19、驶过程中消耗的能量，可由车辆功率 P(t)对时或爬坡过程中，有时会出现超级电容 SOC 即使下降为 J；1.1×10-7 为间 t 的梯形求得，140电 工 技 术学报2008 年 8 月到的下限仍不能满足需求功率的要求。这时，超级电容需要和蓄电池配合工作， 来共同驱动车辆。（4）再生制动模式。当车辆或下坡行驶时，电量处于再生制动工作状态。此时功率流流向能系统，并根据蓄电池和超级电容的 SOC 状态来分配功率。3.2基于模糊逻辑的能量管理优化策略设计由上面工作模式的分析，可以得到如下的实时优化的思路：（1）总线需求功率为正，即能量系统输出功率时，如果超级电容的 SOC 较大，且需求功

20、率大时，KUC(t)较大，相应地，Kbat(t)较小；如果超级电容的 SOC 较小，则 KUC(t)较小，相应地，Kbat(t)较大。（2）总线需求功率为负，即再生制动过程，能量回馈到能量系统时，如果该功率较小， 则KUC(t)大些，相应地，Kbat(t)较小；如果功率很大， 则 KUC(t)较小，相应地，Kbat(t)较大。文献5采用简单查表策略来解决混合电动汽车双能量源管理问题。这种策略比较简单，鲁棒性图 2输入输出变量隶属度函数Fig.2The membership function of inputand output variables差。因此，根据思路（1）和（2），利用模糊控制推

21、理能力强、鲁棒性好的优点7，我们设计了基于模糊逻辑的能量管理实时优化器。其中，蓄表 1Tab.1模糊规则表Fuzzy rule table电池的功率分配由模糊器求出，而超级电容的功率分配通过关系式（8）和式（9）得到。SOCbat（SOCUC=LE）Pveh模糊器采用三输入、单输出的 mamdani 结LEMEGE构。三输入分别为车辆需求功率 Pveh(t)、蓄电池SOCbat(t)和超级电容 SOCUC(t)，输出为电池功率分配因子 Kbat(t)。各输入输出的论域为Pveh(t)：NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PBSOCbat(t)：LE、ME、GESOCUC(t)：LE、ME、GE

22、Kbat(t)： LE、ML、ME、MB、GE其中，负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）、较小（LE）、中小（ML）、中（ME）、中大（MB）、较大（ GE）各输入输出的隶属度函数如图 2 所示。NBMEMLLENMMEMLLENSMLLELEZELELELEPSMBGEGEPMMBGEGEPBMBGEGESOCbat（SOCUC=ME）PvehLEMEGENBMEMLLENMMBMLLENSMBLELEZELELELE模糊策略的 IF-THEN 规则采用如下形式，PSMLMEMB建立了 63 条规则，见表 1。“IF Pveh(t)

23、is A and SOCbat(t)is B and SOCUC(t) is C, THEN Kbat(t) is D”PMLEMEGEPBMLMBGE第 23 卷第 8 期石庆升等 新型双能量源纯电动汽车能量管理问题的优化141（续）表 3Tab.3采用不同策略时的电动汽车性能比较The acceleration performance comparison usingdifferent strategiesSOCbat（SOCUC=GE）PvehLEMEGE时间/sNBGEMBME速度提高幅度(%)NMGEMLLE简单查表策略 模糊策略NSGELELE050km/h3.12.96.5ZEL

24、ELELE5080km/h2.92.610.3PSLELELE0100km/h8.98.18.9PMLEMLME从表 3 可以看出，相比于简单查表策略，采用PBLEMEMB模糊策略后，车辆三个速度段 050km/h、5080km/h 和 0100km/h 的时间都有了一定的提4结果及分析高，分别为 6.5%、10.3%和 8.9%，这是因为模糊控制策略可以更灵活地利用超级电容快速充放电迅速为了验证新型能量系统管理策略的有效软件 ADVISOR8，对比采性，利用电动汽车的特性，达到了缩短4.2能量消耗率实验时间的目的。用简单查表策略的车辆，进行了2 给出了双能源纯电动汽车的主要对比实验。表参数。

25、其中，选用了 US06、UDDS、JA1015、ECE 和 HWFET五种路况进行了车辆的能量消耗率实验。表 4 给出电机采用了 Westinghouse 公司的交流感应电机，其供电电压等级为 320V；电池组由 6Ah 的 Saft 锂离了采用不同策略后车辆的能量消耗率的结果。子单体电池混联的模块组成，每一模块中并联表 4采用不同策略时的能量消耗率比较支路数为 10，每一并联支路中又包含 3 个串联的单体电池；超级电容组由 120 只 Maxwell 公司的超级电容单元串联而成，每一单元的额定电压为2.5V。Tab.4The energy consumption rate compariso

26、nusing different strategies车辆的能量消耗率/（kWh/100km）不同路况提高幅度(%)简单查表策略模糊策略表 2Tab.2蓄电池-超级电容纯电动汽车主要参数US06UDDS10.814.99.612.811.1114.67Main parameters of the battery-ultracapacitorelectric vehicleJA1015 ECEHWFET14.213.61612.311.914.713.3812.58.3整车质量/kg1 278滚动阻力系数0.012迎风面积/m22.03空气阻力系数0.19类型交流感应电机峰值功率/kW75从表

27、4 中可以看出，相比于简单查表策略，采用模糊策略的车辆在能量消耗率方面有了较大提高，各个路况下的提高幅度分别为 11.11%，14.67%，电机最大转速/(r·min-1)电压等级/V32010 00030类型锂离子电池模块数量13.38%，12.5%和 8.3%。这是由于模糊策略能电池单体额定容量/Ah6模块电压/V10.6够更有效地使用超级电容，从而提高了整个能量存储系统的充电效率，减少了能量损失。其中，UDDS、JA1015 和 ECE 路况由于车辆起停较为频繁，提高最为明显。而 US06 和 HWFET 属于高速路况，提高也很明显。Maxwell PC2500120类型数量超

28、级电容单体额定电压/V电流范围/A(-225，225)2.54.1性能实验利用 ADVISOR 软件本身的总之，采用模糊策略后，车辆无论在性能测试程序性能方面，还是能量消耗率方面都有所提高。对车辆三个速度段 050km/h、5080km/h 和 05结论100km/h 的策略时的时间进行了时间比较。表 3 是采用不同研究了新型蓄电池-超级电容纯电动汽车中双142电 工 技术 学报2008 年 8 月能量源管理的数学建模和优化问题。首先分析International, 2003, 2: 670-676.Schupbach R M, Balda J C, Zolot M,了能量系统的功率、车辆行驶

29、中的阻力功率及4. Design能量系统运行时的约束条件及目标函数，建立methodology of a combined battery-ultracapacitor energy storage unit for vehicle power managementC. Power Electronics Specialist Conference, USA, 2003,1: 88-93.了蓄电池-超级电容双能量源系统的能量管理问题的数学模型。然后，设计了基于模糊逻辑的能量管理实时优化件平台实现了该器。最后，利用 ADVISOR 软器，并对采用该双能量源5Andrew B C, Emadi A. ADVISOR-based mof a系统的电动汽车进行了研究。结果表明，文中battery and an ultra-capacitor energy source for hybrid electric vehiclesJ. IEEE Transactions onVehicular Technology, 2004, 53(1): 199-205.提出的基于模糊逻辑的实时优化行的。策略是有效可6张文春. 汽车理论M. 北京: 机械工业2005.,参考文献1“863”计划.高技术研究发展计划（8637诸静. 模糊理论与系统原理M. 北京: 机械工, 2005.计划）现