CN106427607A - 一种电动车混合式储能系统能量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动车混合式储能系统能量分配方法，根据电动车行驶过程中的各种信息，计算整车所需总动力；根据所计算的整车所需动力和庞特里亚金最小值原理，计算最优电池动力以及相应的DCDC变换器目标电流值和其他相关参数；将电机所需转矩和DCDC变换器目标电流值传输到电机控制单元和DCDC控制单元，进行相应的控制。本发明既能保证电池和超级电容之间能量分配的最优性，又能实时快速的将计算的最优能量分配结果输出，进一步解决了混合式储能系统能量消耗最小化问题和电池寿命延长的问题，并且本发明同样适用于电动车回收制动时分配电池和超级电容之间回收量的情况。

Description

一种电动车混合式储能系统能量分配方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，尤其涉及一种电动车混合式储能系统能量分配方法。

背景技术

目前，大部分电动车都使用电池作为单一的动力源。然而，当前的电池性能有限，其本身的物理特性导致无法较好地输出高峰值功率以及应对频繁的充放电。这种情况通常发生在加减速频繁的城市工况行驶中。长期应付这种负载，电池的使用寿命也将受到严重的影响。电动车混合式储能系统，即电池和超级电容的组合，就是针对上述问题而诞生的。虽然，电池的功率密度低，但是能量密度高，可存储大量的能量供电动车长距离行驶；相反，超级电容能量密度低，但是功率密度高，可对应电动车行驶过程中变化较快和频繁变化的负载需求。电池和超级电容的结合可充分应付电动车各种需求，然而，由于使用两种不同的动力源，必须要解决两者之间的能量分配问题，即针对行驶中各种需求适当分配两者输出的问题。否则会出现即使满足了电动车的需求，也导致能量消耗大、浪费能源的问题。

电池的功率密度较低，因此，为了满足电动车行驶过程中的各种负载需求，通常需要搭载大量的电池。然而，由于电池单元之间存在的性能不一致性，电池单元数量的增加会提高电池在高峰值功率输出和频繁充放电过程中被损害的风险。同时，电池单元的增加也将导致整个电动车的重量增加，从而影响整车的性能。在电池的性能尚未得到关键性突破的情况下，混合式储能系统的应用引起了有关学者的关注。超级电容较电池功率密度高、重量轻，因此，混合式储能系统既能满足电动车的各种负载需求，又能减少电池的搭载量，从而减少电动车整车的重量，并且能对电池起到一定的保护作用。

虽然混合式储能系统可以弥补电池的一些缺点，但由于涉及到两种不同的动力源，需要进行能量分配的研究，即如何在电动车行驶过程中对电池和超级电容进行能量分配的研究。目前的研究大致可分为以下两种：第一种是基于启发式概念的能量管理策略，如基于规则的策略、基于模糊逻辑的策略等需要大量丰富经验的策略；第二种是基于最优控制理论的能量管理策略，如基于模型预测控制的策略、基于动态规划算法的策略等。前者相对简明，且容易实现，但是光靠规则和模糊逻辑很难达到所需的控制目标，如混合式储能系统能量消耗最小化问题和电池寿命的延长问题等。后者虽然可以保证最优控制结果，但是由于其计算时间较长，不能直接应用于实际，只能作为判断其他策略优劣的标准。

发明内容

基于上述情况，本发明针对电动车混合式储能系统，为解决混合式储能系统能量消耗最小化问题和电池寿命延长的问题，提供了一种基于最优控制理论的电动车混合式储能系统能量分配方法。

一种电动车混合式储能系统能量分配方法，包括如下步骤：

从CAN总线获取电机转速ω_m，从油门踏板位置传感器获取踏板位置α，并由上述两个信息获取电机需要输出的转矩T_m,req和相应的电机效率η_m；

根据上述参数计算得到整车所需的动力P_v,req：

P_v,req＝T_m,req(ω_m,α)·ω_m/η_m(ω_m,α)

通过寻找最优电池动力P_b ^*的轨迹，使得产生相应的最优超级电容电荷状态SOC_s ^*，根据庞特里亚金最小值原理，设置汉密尔顿函数H，并获取最优电池动力P_b ^*，由于：

P_v,req＝P_dc ^*+P_b ^*

因此可以得到DCDC变换器输出动力的最优控制变量P_dc ^*；

DCDC变换器电流最优解I_dc ^*可由如下关系获取：

I_dc ^*＝P_dc ^*/U_bus

其中，U_bus为总线电压；

将获取的电机需要输出的转矩T_m,req和获取的DCDC变换器电流最优解I_dc ^*分别发送到电机控制单元和DCDC控制单元，使电机和DCDC变换器得到相应的控制。

进一步的，由于电池的电消耗量可用电流的均方根来描述，进一步可用电流I_b平方值的积分来代替；因此，该控制问题的性能指标函数为：

其中，k为调整参数，t₀和t_f分别表示电动车行驶的开始和结束时间，减少电池的电消耗同样有利于延长电池的寿命，因此，在上述性能指标函数中，没有额外的有关电池损耗的项；

进一步，根据庞特里亚金最小值原理，设定所述汉密尔顿函数H为：

满足上述能量分配控制问题的控制目标的必要条件如下：

其中，p为共同状态变量，在车辆的推进过程中，p应该采取负号，相反在车辆的再生制动过程中，p应采取正号；第一个必要条件说明最优解首先要满足系统的状态方程；第二个必要条件给出了获取最优共同状态变量p^*的条件；第三个必要条件是获取最优控制变量P_b ^*的条件；上述第三个必要条件表示，最优电池动力值是其中使汉密尔顿函数为最小的那一个。

更进一步的，在获取最优电池动力P_b ^*之后，电池的其他相关参数满足关系式：

其中，I_b为电池的电流，SOC_b表示电池的电荷状态，Q表示电池的容量，V_b为电池的开路电压，R_b为电池的内阻。

作为一种改进，在混合式储能系统中，电池和超级电容共同承担整车所需的动力，所述超级电容充电和放电满足如下关系式：

P_v,req＝P_b+P_dc

P_dc＝P_s·η_dc(Discharging)

P_dc＝P_s/η_dc(Charging)

其中P_b为电池的动力、P_dc为DCDC变换器的输出动力，P_s为超级电容的输出动力，η_dc为DCDC变换器的效率；

所述超级电容的其他相关参数可由关系式：

来获取，C表示超级电容的容量，R_s和R_p分别为超级电容的串联和并联内部电阻，V_s,max为超级电容的最高电压；正号对应于超级电容放电的情况，相反，负号对应充电的情况。

本发明针对电动车混合式储能系统提供了一种基于庞特里亚金最小值原理的混合式储能系统能量分配方案，根据电池和超级电容的特性，将整车所需的总动力科学分配到电池和超级电容；第一步为根据电动车行驶过程中的各种信息，计算整车所需总动力；第二步为根据所计算的整车所需动力和庞特里亚金最小值原理，计算最优电池动力以及相应的DCDC变换器目标电流值和其他相关参数；第三步为将计算出来的电机所需转矩和DCDC变换器目标电流值传输到电机控制单元和DCDC控制单元，使电机和DCDC变换器得到相应的控制。

本发明技术方案既能保证电池和超级电容之间能量分配的最优性，又能实时快速的将计算的最优能量分配结果输出至电机和DCDC变换器，使电机和DCDC变换器得到相应的控制；本发明方案的理论基础是一种瞬时优化理论，利用本发明方案可有效对电动车混合式储能系统进行能量分配优化，同时其优化过程是实时进行的，计算时间短，能够达到实时根据车辆情况提供最优解能量分配决方案的效果，因此，具有充分的实用性，进一步解决了混合式储能系统能量消耗最小化问题和电池寿命延长的问题。另外，电池和超级电容都具有能量回收的功能，本发明同样适用于电动车回收制动时分配电池和超级电容之间回收量的情况。

附图说明

图1为本发明一种电动车混合式储能系统结构示意图；

图2为本发明一种电动车混合式储能系统能量分配方法流程示意框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，混合式储能系统的电动车结构，电池为主动力源，超级电容为辅助动力源，两者可共同承担车辆的负载或者是共同吸收由再生制动回收的能量。电池和超级电容的输出电压不同。在这个结构中，电池直接连接到总线，即电池的输出电压与总线电压U_bus相同。而超级电容则通过一个DCDC变换器连接到总线，这样能做到DCDC变换器输出与总线电压相同。在电动车的行驶过程中，当电机转速和油门踏板位置信息已知时，通过电机相应的效率即可获得整车所需要的动力。我们要解决的问题就是如何将这所需的总动力分配到两个动力源的问题。在图1的结构中，可通过调整DCDC变换器电流I_dc来分配两个动力源之间的动力。DCDC变换器电流一旦定下来，电池的电流和其他参数随之而定。

如图2所示，在本发明方案中，将整车所需的总动力分配到电池和超级电容可分为三个步骤：第一步为根据电动车行驶过程中的各种信息，计算整车所需总动力；第二步为根据所计算的整车所需动力和庞特里亚金最小值原理，计算最优电池动力以及相应的DCDC变换器目标电流值和其他相关参数；第三步为将第一步和第二步中计算出来的电机所需转矩和DCDC变换器目标电流值传输到电机控制单元和DCDC控制单元，使电机和DCDC变换器得到相应的控制。

第一步的具体内容如下：

在电动车的行驶过程中，可从CAN总线获取电机转速ω_m，从油门踏板位置传感器可获取踏板位置α，并由上述两个信息可获取电机需要输出的转矩T_m,req和相应的电机效率η_m。这时，整车所需的动力如下：

P_v,req＝T_m,req(ω_m,α)·ω_m/η_m(ω_m,α) (1)

第二步为本发明方案的核心，具体内容如下：

在这里，将庞特里亚金最小值原理应用于电池和超级电容的能量分配控制问题中。在此控制问题中，状态变量为超级电容的电荷状态SOC_s，控制变量为电池的动力P_b，状态方程为超级电容的动态方程，如下：

在这里，P_s为超级电容的输出动力。(2)的具体表达式如下：

在这里，C表示超级电容的容量，R_s和R_p分别为超级电容的串联和并联内部电阻，V_s,max为超级电容的最高电压。正号对应于超级电容放电的情况，相反，负号对应充电的情况。

在混合式储能系统中，电池和超级电容共同承担整车所需的动力，因此，三者之间存在如下的关系。

P_v,req＝P_b+P_dc

P_dc＝P_s·η_dc(Discharging)

P_dc＝P_s/η_dc(Charging) (4)

在这里，P_dc为DCDC变换器的输出动力，η_dc为DCDC变换器的效率。在(4)中，分别对超级电容放电和充电的情况描述了P_dc和P_s的关系。P_v,req已由(1)获取，因此，将关系(4)应用于(2)，可获得如下新的状态方程F：

在此控制问题中，控制目标为在电动车的行驶过程中，寻找最优电池动力P_b ^*的轨迹，使得系统(5)发生相应的SOC_s ^*轨迹，最终使整个电动车的电消耗量最少，同时使电池的损耗也最小。电池的电消耗量可用电流的均方根来描述，并且，这一项可用电流平方值的积分来代替。因此，该控制问题的性能指标函数可表示为如下：

在这里，I_b为电池的电流，k为调整参数，t₀和t_f分别表示电动车行驶的开始和结束时间，减少电池的电消耗同样有利于延长电池的寿命，因此，在上述性能指标函数中，没有额外的有关电池损耗的项。I_b的具体表达式如下：

在这里，SOC_b表示电池的电荷状态，Q表示电池的容量，V_b为电池的开路电压，R_b为电池的内阻。减少电池的电消耗(6)同样有利于延长电池的寿命，因此，在性能指标函数(6)中，没有额外的有关电池损耗的项。

根据庞特里亚金最小值原理，当汉密尔顿函数H定义为如下时，

满足上述能量分配控制问题的控制目标的必要条件如下：

在这里，p为共同状态变量。根据混合式储能系统能量分配控制问题的性质，在车辆的推进过程中，p应该采取负号，相反在车辆的再生制动过程中，p应采取正号。上述三个必要条件要在电动车行驶的每一时刻都要满足，从而达到控制目标。第一个必要条件为状态方程(5)，说明最优解首先要满足系统的状态方程；第二个必要条件给出了获取最优共同状态变量p^*的条件；第三个必要条件是获取最优控制变量也就是最优电池动力P_b ^*的条件。根据控制问题的特性，在电动车行驶过程中的每一时刻，都会存在很多备选的电池动力值。上述第三个必要条件表示，最优电池动力值是其中使汉密尔顿函数为最小的那一个。

由上述方法获取P_b ^*之后，电池的其他相关参数可由(7)来获取。这时，电池的SOC可从CAN总线获取。同样，可由(4)获取相应的P_s ^*和P_dc ^*，之后超级电容的其他相关参数可由(3)来获取。这时的超级电容SOC可由CAN总线获取。在获取P_dc ^*之后，DCDC变换器相应的电流可由如下关系获取：

I_dc ^*＝P_dc ^*/U_bus (10)

在这里，U_bus为总线电压，可从CAN总线获取。

第三步的具体内容如下：

将第一步获取的电机需要输出的转矩T_m,req和第三步获取的DCDC变换器电流最优解I_dc ^*分别发送到电机控制单元和DCDC控制单元，使电机和DCDC变换器得到相应的控制。

上述第一步和第二步的计算工作由整车控制器的计算单元来完成；第二步中p的正负号调整由整车控制器的调整单元来完成；第三步的工作由各个控制单元来完成。

本发明针对电动车混合式储能系统提供了一种基于庞特里亚金最小值原理的混合式储能系统能量分配方案，根据电池和超级电容的特性，将整车所需的总动力科学分配到电池和超级电容；庞特里亚金最小值原理是最优控制理论的一种，并且可以实时计算电池和超级电容的能量分配结果。本发明中的控制目标为使混合式储能系统的能量消耗最小，并且使电池的寿命得到最大限度的延长。

与现有的最好技术相比，本发明技术方案既能保证电池和超级电容之间能量分配的最优性，又能实时快速的将计算的最优能量分配结果输出至电机和DCDC变换器，使电机和DCDC变换器得到相应的控制，从而解决了混合式储能系统能量消耗最小化问题和电池寿命延长的问题；另外，电池和超级电容都具有能量回收的功能，本发明同样适用于电动车回收制动时分配电池和超级电容之间回收量的情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电动车混合式储能系统能量分配方法，所述混合式储能系统包括电池和超级电容，其特征在于，包括如下步骤：

从CAN总线获取电机转速ω_m，从油门踏板位置传感器获取踏板位置α，并由上述两个信息获取电机需要输出的转矩T_m,req和相应的电机效率η_m；

根据上述参数计算得到整车所需的动力P_v,req：

P_v,req＝T_m,req(ω_m,α)·ω_m/η_m(ω_m,α)

通过寻找最优电池动力P_b ^*的轨迹，使得产生相应的最优超级电容电荷状态SOC_s ^*，根据庞特里亚金最小值原理，设置汉密尔顿函数H，并获取最优电池动力P_b ^*，由于：

P_v,req＝P_dc ^*+P_b ^*

因此可以得到DCDC变换器输出动力的最优控制变量P_dc ^*；

DCDC变换器电流最优解I_dc ^*可由如下关系获取：

I_dc ^*＝P_dc ^*/U_bus

其中，U_bus为总线电压；

将获取的电机需要输出的转矩T_m,req和获取的DCDC变换器电流最优解I_dc ^*分别发送到电机控制单元和DCDC控制单元，使电机和DCDC变换器得到相应的控制。

2.如权利要求1所述的电动车混合式储能系统能量分配方法，其特征在于，由于电池的电消耗量可用电流的均方根来描述，进一步可用电流I_b平方值的积分来代替；因此，该控制问题的性能指标函数为：

$J={\∫}_{t_0}^{t_f}k\·I_b^2(P_b,{\mathrm{SOC}}_b)dt$

其中，k为调整参数，t₀和t_f分别表示电动车行驶的开始和结束时间；

进一步，根据庞特里亚金最小值原理，设定所述汉密尔顿函数H为：

$H=k\·I_b^2(P_b,{\mathrm{SOC}}_b)+p\·F(P_b,{\mathrm{SOC}}_s)$

满足上述能量分配控制问题的控制目标的必要条件如下：

$\stackrel{\·}{{{\mathrm{SOC}}_s}^{*}}=\frac{\∂H}{\∂p}({{\mathrm{SOC}}_s}^{*},P_b^{*},p^{*})$

$\stackrel{\·}{p^{*}}=-\frac{\∂H}{\∂{\mathrm{SOC}}_s}({{\mathrm{SOC}}_s}^{*},P_b^{*},p^{*})$

$H({{\mathrm{SOC}}_s}^{*},P_b^{*},p*)\≤H({{\mathrm{SOC}}_s}^{*},P_b,p^{*})$

其中，p为共同状态变量，在车辆的推进过程中，p应该采取负号，相反在车辆的再生制动过程中，p应采取正号；第一个必要条件说明最优解首先要满足系统的状态方程；第二个必要条件给出了获取最优共同状态变量p^*的条件；第三个必要条件是获取最优控制变量P_b ^*的条件；上述第三个必要条件表示，最优电池动力值是其中使汉密尔顿函数为最小的那一个。

3.如权利要求2所述的电动车混合式储能系统能量分配方法，其特征在于，在获取最优电池动力P_b ^*之后，电池的其他相关参数满足关系式：

$\stackrel{\·}{{\mathrm{SOC}}_b}=-\frac{I_b}{Q}$

$I_b=\frac{V_b\left({\mathrm{SOC}}_b\right)-\sqrt{V_b{\left({\mathrm{SOC}}_b\right)}^2-4R_b\left({\mathrm{SOC}}_b\right)\·P_b}}{2R_b\left({\mathrm{SOC}}_b\right)}$

其中，I_b为电池的电流，SOC_b表示电池的电荷状态，Q表示电池的容量，V_b为电池的开路电压，R_b为电池的内阻。

4.如权利要求3所述的电动车混合式储能系统能量分配方法，其特征在于，在混合式储能系统中，电池和超级电容共同承担整车所需的动力，超级电容充电和放电满足如下关系式：

P_v,req＝P_b+P_dc

P_dc＝P_s·η_dc(Discharging)

P_dc＝P_s/η_dc(Charging)

其中P_b为电池的动力、P_dc为DCDC变换器的输出动力，P_s为超级电容的输出动力，η_dc为DCDC变换器的效率；

所述超级电容的其他相关参数可由关系式：

${\stackrel{\·}{SOC}}_s=-\frac{1}{C}\·\left(\right(\frac{1}{2R_s}\±\frac{1}{R_p})\·{\mathrm{SOC}}_s-\frac{1}{2R_s}\sqrt{{{\mathrm{SOC}}_s}^2-\frac{4R_s}{{V_{s,\max }}^2}\·P_s})$

来获取，C表示超级电容的容量，R_s和R_p分别为超级电容的串联和并联内部电阻，V_s,max为超级电容的最高电压；正号对应于超级电容放电的情况，相反，负号对应充电的情况。