智能算法在纯电混合动力汽车能量管理中的应用

一、混合动力系统工作模式

对于能量管理策略，在混合动力系统中占据着非常重要的位置，因为其直接影响到混合动力系统的性能。

混合动力系统的引入，在发挥动力锂电池和超级电容的优势的同时避免了单一供电的弊端，正确、合理地对能量供应方式进行分分配，可以避开单一能源的缺点，充分发挥各自特点。

动力锂电池具有高能量密度低功率密度的特点，超级电容具有低能量密度高功率密度的特点。用动力锂电池作为车辆的主要能量源，超级电容做为次要能量源，可以更好的满足整车的能量需求。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图1

当动力需求功率比较大时，超级电容可以参与峰值功率输出任务，发挥高功率密度的长处，减缓大倍率电流对主能量源造成的冲击，减小主能量源的容量衰减速度，相应延长锂电池使用寿命，动力需求平缓较小时，可以将动力电池高能量密度的优点充分发挥。

在车辆进行制动或减速时，能够将回馈能量充分吸收并存储，并将之优先用于超级电容的充电，增大动力锂电池充放电的间隔时间，延长使用寿命。

于混合动力系统而言，其运行流程如下：

第一步，车辆开始启动时，驱动汽车的动力由超级电容提供；

第二步，汽车开始保持速度不变，继续行驶，此时由动力动力锂电池为汽车提供持续、稳定动力；

第三步，当汽车需要短时间内提速或者爬坡时，此时所需动力较大，需要两种供电设备同时工作，以确保汽车驱动所需动力充足。

控制策略可根据汽车实际情况中所需功率，整合、分配并调节动力锂电池、超级动力锂电池两种能量供应设备的使用比例。在运行过程中，首先要为超级电容提供电量，以保证其始终处于高SOC值的工作状态，电量如有多余，则可存入动力锂电池。

二、混合动力系统能量功率流向

1.超级电容单独工作模式：

电机唯一供能设备时，驱动电机必须迅速将汽车行驶速度提至能够满足汽车正常行驶时所需的速度，对于超级电容模式而言，电机在短时间内提速需要功率较大，此时，混合动力系统中超级电容作用就会体现，其可为瞬时提速提供充足能量。

功率流向如下图所示。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图2

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图3

2.动力锂电池单独工作模式：

匀速行驶工况，或者在负载较小时，也就是汽车保持正常前行的状态下，一般汽车保持正常前进这一过程是一个比较漫长的过程，在这种模式下，驱动电机运转需要动力必须稳定且持续，此时，混合动力系统中动力锂电池作用就会体现，其可为汽车行驶提供持续、稳定的动力。基于同一原理，超级电容需要时刻保持高SOC值的状态，如SOC值降低，则动力锂电池对其进行能量补充，以保障汽车处于其他特殊情况时，同样能够保持正常行驶状态。能量功率流向如下图所示，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图4

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图5

工作在时速40-80km/h区间，功率区间处于[40kW，80kW]，若超级电容SOC高于0.6则保持不变，若超级电容SOC低于0.6时，动力锂电池保持平稳放电的同时对超级电容进行充电。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图7

3.当动力动力锂电池和超级电容同时供能模式下：

汽车行驶状态为超车时提速或者是在进行爬坡行驶时，驱动电机在此种状态下，所遇爬坡阻力或者重力会持续很长一段时间，需要能量源能够持续输出较大功率，如此种情况只使用动力锂电池或者超级电容为驱动电机供能，势必损坏供能设备内部结构，导致其使用寿命明显缩短，对于超级电容而言，还会使其 SOC 值迅速降至较低值，导致其无法持续输出较大功率。基于此，同时供能的工作模式作用就会体现，此模式下，动力锂电池可为驱动电机提供稳定、持续的工作功率，超级电容提供动力峰值时所需功率和瞬时功率，驱动电机所需的大功率，在这两种能量源的配合输出下，可得到满足。功率流向如下图，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图9

4.制动能量回收下模式:

汽车在减速运动状态下,驱动电机迅速切换为发电机，并将所产生的电力存储在混合动力中，储存在混合动力中的电量由能量管理系统对其进行分类、整合和再分配，此电量会优先满足超级电容的需求，只有在超级电容SOC值处于饱和状态时，才会将剩余电量向动力锂电池中传输并存储其中。功率流向如下图，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图10

电机处于发电机状态，电机发电功率与效率的乘积等于制动能量回收的功率，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图11

表示发电机效率，若超级电容低于SOC=0.6则，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图13

若超级动力锂电池高于或等于SOC=0.6则，

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图14

优先给超级电容充电，当超级电容SOC=1时候，尽量给动力锂电池充电。

三、混合动力系统控制目标

对于纯电混合动力系统来说，系统的性能情况不完全单独取决于动力锂电池、超级电容自身的供电能力，还和整个系统的能量控制有关系，采用科学、高效的管理控制方法，能使得动力锂电池的性能进一步提升，使用的效率提高使得成本得到下降。以下为控制目标要求：

（1）通过能量管理系统来对动力锂电池进行保护，汽车在功率需求大幅增加时，会引起动力锂电池的工作电流过大造成对电池的损坏和影响行车安全，需要超级电容进行工作控制电流的倍率。

（2）能量回收对超级电容提供相应的工作要求，当遇到城市拥堵路段，车辆不停的起步和制动会提高车辆的平均用电量，而合适的超级电容能够将刹车时差时的热能进行回收，从而使得动力锂电池的使用时间更长，减少充电次数以加长动力锂电池的使用寿命。

（ 3 ）在混动纯电能量系统中，会对 SOC 有一定控制要求，车辆在行驶时动力锂电池和超级电容需要有合理的 SOC ，在一定的范围内才不会影响车辆的性能，有利于提高对能量的利用效率，满足在特殊时期的功率需求

四、基于阈值判断的能量分配策略

动力系统的能量控制管理策略的核心就是处理好需求和供应的关系，需求指的是车辆在不同行驶环境下的功率要求，供应是系统给动力机构分配的能量情况，只有两者相匹配时，才不会造成能量的浪费。而这其中要想做到精准的控制就离不开超级电容的工作，超级电容在动力锂电池的能量供应不足时为其弥补功率需求，而动力锂电池也能在超级电容能量不足时进行辅助，做到任意时刻都能有一方能参与辅助。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图15

（1）

对应的是车辆的行驶状态，当该值超过设置的阈值时表明车辆此时的行驶状态需要较大的功率，需要进行提供的能量来自于超级电容，只有超级电容提供的电能能满足实际行驶的功率需求时，来启动动力锂电池输出能量来补充满足功率需求；当该值大于零但没有超过阈值时，表明车辆此时的行驶状态需要较小的功率，此时根据两者的SOC的范围来决定两者的工作状态，当没有处于SOC的最大值时，要求在为车辆提供能量输出的同时对超级电容进行充电，当SOC超过最大值时为了保证安全性，此时只进行放电。

（2）对应的是车辆的制动状态，而对能量回收也是设置SOC_SC的阈值，是否执行回收根据是否达到阈值来判断。只有达到阈值时才说明制动过程采集的能量已经充满超级电容电量，对超级电容中的能量进行回收。超级电容主要是弥补车辆自身的动力锂电池功率输出不足而缺少的功率，这样做的好处就是使得动力锂电池的使用寿命得到了延长。超级电容充当能量的缓冲站，具有充能和放能得作用，超级电容电量过低使得动力锂电池进行大倍率放电的几率增大，过高不利于制动过程中的能量回收，所以针对超级电容的能量管理控制也是依据设定的阈值，为了对两方面都有利，一般将其阈值设为0.75，根据实际的SOC值跟阈值之间的关系来控制超级电容的充放电。，表示超级电容中的能量可以对动力锂电池进行能量辅助输出，在超级电容中的能量被输出完后进入能量回收状态，从接下来的制动过程中收集能量以及动力锂电池输出剩余时进行充能；，此时超级电容中储备的能量水平较低不足以满足实际的功率需求，此时需要动力锂电池同时进行功率输出，而在超级电容在不需要输出的时候回收制动能量或者利用动力锂电池输出的电能进行充能；，此时超级电容中的电能储备不足以进行功率输出，车辆只能通过动力锂电池的功率输出来满足使用需求。

五、基于模糊逻辑的能量分配策略

通过对电源中动力锂电池和超级电容进行合理的输出分配，从而满足不同行驶状况下的功率需求，并延长动力锂电池的使用时间。两者共同作用来满足车辆的功率需求，两者的主要功率输出作用在实际使用消耗之中:

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图17

模糊控制策略通过控制动力锂电池功率比例因子来决定车辆动力锂电池的工作输出情况。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图18

模糊控制策略可以根据来确定两者在工作中的范围，根据车辆在行驶时的功率需求，再结合动力锂电池功率比例因子确定两者的输出功率数值。确定好三者之间的关系，使能够通过合理的组合共同为车辆提供准确的功率。

在整个模糊控制系统中，需要确定系统的变量，对变量按照模糊化规则来进行模糊化，建立知识库来确定模糊化规则和解模糊化。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图19

上图中控制器的设计依据为整车的功率需求、动力锂电池和超级电容的，然后按照模糊化控制的流程完成主要的三个步骤，根据输出结果来准确分配两者之间的输出比例，使得整体的性能最佳，同时保障车辆的安全性能。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图20

图4.7 NEDC循环工况车速功率曲线

根据该车型 NEDC 工况 -30kw-45kw, 置模糊控制需求功率 P_req 值在 -30kw 到 60kw, 整车需求功率 P_req 隶属度函数的论域为 [-30,60] ，并将其划分子集 :P_req=[VS S M B VB] ，其中 VS 、 S 、 M 、 B 、 VB 的含义分别是很小，小，中，大，很大。

表4.1输入变量P_req的模糊参量

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图21

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图22

输入量隶属度函数

动力锂电池 SOC_bat 基本论域在 [0,1] 之间，当动力锂电池 SOC_bat 的值在 [0.15,1] 之外时，动力动力锂电池的内阻变化很大，影响充放电效率，因此需要对 SOC_bat 的范围做一些调整，均将其调整为 [0.15,1] ，并将其划分子集 :SOC_bat=[S M B ] ，其中 S 、 M 、 B 的含义分别是小，中，大。

超级电容 SOC_sc 基本论域在 [0,1] 之间，当 SOC_sc 的值在 [0.3,1] 之外时，超级电容效率高，将其定义为 [0.3,1] ，并将其划分子集 :SOC_sc=[S M B ] ，其中 S 、 M 、 B 的含义分别是小，中，大。

输入变量SOC_bat和SOC_sc的模糊参量

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图23

在设计过程中需要考虑的是超级电容的SOC值并不是固定不变的，因为该值的大小会跟随超级电容中储备的电量多少发生变动，当超级电容中的电量用于辅助输出功率时电量会减少，为了保证在需要用到超级电容的辅助输出时有充足的电能，会降低SOC值来提示系统需要对其进行充能，使得动力锂电池在功率输出充足的情况下对超级电容进行充能，所以将比例因子K的变化范围[0，1.3]划分为七个区间，K={LE,ML,ME,MB,GE,CL,CG},分别代表{小，较小，中，较大，大，低充，高充}，能够根据实际的使用需求选择合适的比例因子K，比如超级电容中的时就控选择较大的K来提高动力锂电池的输出功率，在为车辆行驶提供动力的同时为超级电容充电。

输出变量的模糊参量

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图24

模糊控制器是模仿人类的推理决策行为，这决策的形成离不开相关的规则，所以在设计模糊控制器时确定由模糊条件语句得到基本准则是最关键和主要的任务，控制器将确定好的模糊规则转化成可以运算的数值，以满足不同的目标控制任务。

按照车辆的需求功率 Pr 的不同，将模糊策略简单地分为三种情况：

(1) 当 Pr 大于 0 且较大时，若 B_SOC 和 C_SOC 都比较大，则锂离子动力锂电池和超级电容共同输出能量；若 C_SOC 较低， B_SOC 较高，则锂离子动力锂电池单独供能；若 B_SOC 较低，而 CSOC 较高时，让超级电容承当最大功率，而锂离子动力锂电池分担平均功率；若 B_SOC 和 C_SOC 均较低，为使汽车能够正常行驶，则锂离子动力锂电池起主要输出作用，而超级电容进行较小地输出。

(2) 当 Pr 大于 0 且较小时，这种情况下动力锂电池放电电流较小，若 B_SOC 较低，而 C_SOC 较高，则超级电容单独供能；若 B_SOC 和 C_SOC 均较低，则锂离子动力锂电池作为主要输出电源，超级电容分担较小地输出；若 B_SOC 较高，而 C_SOC 较低，那么锂离子动力锂电池单独提供能量；若 B_SOC 较高， C_SOC 也较高时，则由锂离子动力锂电池和超级电容一起进行能量的输出；

(3) 当 Pr 小于 0 时，在这时为制动回收模式，根据锂离子动力锂电池的 SOC 值和超级电容地 SOC 值对控制策略作不同的制定，其控制策略为：

若 B_SOC 和 C_SOC 都比较低，那么先允许超级电容对系统充电，充满后再通过锂离子动力锂电池充电；若 B_SOC 较低， C_SOC 较高时，那么由锂离子动力锂电池独自充电；若 BSOC 较高， C_SOC 也较高，同样允许锂离子动力锂电池独自充电；若 B_SOC 较高，而 C_SOC 较低，则先经过超级电容对系统充电，其次再由锂离子动力锂电池充电。

根据模糊控制理论的原理和对混合动力的模糊控制的要求，确定四十五条对应的规则，下表给出了不同功率需求下的每一种控制规则。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图25

车辆行驶过程中的不同状况下的功率需求可以根据对应的模糊控制规则，来控制混合动力中的主要参数，使得车辆所需的功率合理的分配，提高车辆的综合性能。使用 Matlab 软件中的 Simulink 模块将这些模糊控制规则编写在同一个知识库中。下图展示的是输出比例分别和功率需求、动力锂电池的以及超级电容的之间的关系。

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图26

规则知识库及动力锂电池功率输出比例与所需功率之间的关系

智能算法纯电混合动力汽车能量管理的图27

动力锂电池功率输出比例与动力锂电池、超级电容剩余电量之间的关系

文章来源：汽车动力总成