汪亞飛 田國富 劉忠旭 鄭春花

1(沈陽工業(yè)大學 沈陽 110870)

2(中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055)

1 引 言

在純電動車領域，雖然對單一的儲能單元研究方面已經(jīng)十分成熟，但各個儲能單元都具有本身不可避免的缺陷。其中，鋰電池比功率較低、循環(huán)壽命較短、充電時間長、低溫啟動性能差；超級電容比能量參數(shù)方面處于明顯劣勢，能量儲存與鋰電池相比差距較大[1-2]。現(xiàn)階段仍沒有單一的儲能單元能夠完全滿足純電動汽車行駛時對比能量、比功率與較長使用周期等要求。針對現(xiàn)階段電動汽車單一儲能單元存在的不足，采用兩種儲能單元組合(其中一種具有較高的比能量作為主輸出，另一種具有較高的比功率，具有瞬時響應能力)構(gòu)成復合儲能系統(tǒng)是解決上述問題的有效途徑之一。因此，將高比能量的鋰電池與高比功率的超級電容搭配，輔之以優(yōu)秀的能量管理策略，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)，可完全解決上述問題。

現(xiàn)階段國內(nèi)外對純電動汽車儲能系統(tǒng)的研究層出不窮。在對復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的研究中，存在被動式、半主動式與主動式 3 種拓撲結(jié)構(gòu)。研究表明，不使用雙向直流變換器(即雙向 DC/DC 變換器)的被動式拓撲結(jié)構(gòu)性能較差，使用兩個雙向 DC/DC 的主動式拓撲結(jié)構(gòu)效果最好，但成本高、效率低、控制復雜[3]。因此，使用一個雙向 DC/DC 變換器的半主動式拓撲結(jié)構(gòu)既可保證功率合理分配，又能節(jié)約成本，控制過程也更加清晰，常作為復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的主要選擇[4]。

常見的復合儲能系統(tǒng)控制策略有基于規(guī)則的和基于最優(yōu)的兩大類能量管理策略。在基于規(guī)則的能量管理策略研究中：Wang 等[5]針對瞬時最優(yōu)規(guī)則方法的能量管理策略進行研究；宋桂秋等[6]針對多模式規(guī)則切換的能量管理策略進行研究；Jiang 等[7]針對最優(yōu)工作曲線的能量管理策略進行研究；申永鵬等[8]針對功率跟隨型能量管理策略進行研究。以上研究表明，基于規(guī)則的能量管理策略依靠工程經(jīng)驗制定，具有使用較為簡便、邏輯關系清晰、便于后續(xù)優(yōu)化、實用性較高的優(yōu)勢，但設計過程全部來自設計者的經(jīng)驗，局部最優(yōu)的思想難以統(tǒng)籌全局最優(yōu)。在基于最優(yōu)的能量管理策略研究中：Zheng 等[9]針對龐特里亞金最小值原理的能量管理策略進行研究；Santucci等[10]針對模糊控制與動態(tài)編程算法原理的能量管理策略進行研究；Tan 等[11]針對深度強化學習算法的能量管理策略進行研究；Zheng 等[12]針對動態(tài)規(guī)劃與神經(jīng)網(wǎng)絡的能量管理策略進行研究。這些研究表明，基于最優(yōu)的能量管理策略可較準確得出全局最優(yōu)的能量分配方式，但計算量大；且雖在軟件層面效果明顯，但很難應用于實際工程中。由此可見，兩種類型的控制策略各有優(yōu)勢與缺陷。

在對控制策略驗證方式的研究中，快速控制原型(Rapid Control Prototype，RCP)與硬件在環(huán)仿真(Hardware in the Loop，HIL)驗證已成為電動汽車控制系統(tǒng)開發(fā)中不可或缺的一環(huán)。Cao等[13]和 Agelidis 等[14]通過 RCP 原理驗證了鋰電池/超級電容復合儲能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System，HESS)能量管理策略的實用性，大大降低了驗證過程的復雜程度，但沒有將策略下載到真實控制器中，其代碼層面的實用性無法得到實際證明。Golchoubian 等[15]和 He 等[16]采用HIL 驗證方式，由于實驗過程中不存在真實被控對象，故安全性較高，但真實的處理器帶來的復雜代碼修改問題使得實驗改進過程較為困難。因此，復合儲能系統(tǒng)的 RCP 與 HIL 驗證方式同樣各有優(yōu)缺點。

本文以 2014 款寶馬 I3 輕型純電動汽車為目標車型，在原車單電池動力系統(tǒng)基礎上，針對當前單一儲能單元存在的性能缺陷與優(yōu)勢，為其配置一套鋰電池/超級電容復合儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用鋰電池作為主要儲能單元、超級電容與雙向DC/DC 串聯(lián)后與鋰電池并聯(lián)的半主動式拓撲結(jié)構(gòu)，并基于規(guī)則制定相關能量管理策略，最終利用 dSPACE 搭建的快速控制原型驗證實驗臺，對所提出的能量管理策略實用性進行驗證。實驗結(jié)果表明，所設計的復合儲能系統(tǒng)與能量管理策略可有效發(fā)揮各單一儲能單元的優(yōu)勢，具有較好的動力性與節(jié)能效果。

2 復合儲能系統(tǒng)設計

2.1 復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

由于復合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)有多種方式，本文在綜合考慮各種拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點的基礎上，采用超級電容與 DC/DC 變換器串聯(lián)后再與鋰電池并聯(lián)連接的拓撲結(jié)構(gòu)，與逆變器、電機等共同組成了完整的整車能源動力傳輸系統(tǒng)。其中以鋰電池作為主要能源，超級電容與 DC/DC 串聯(lián)后可根據(jù)鋰電池端電壓來對超級電容端電壓進行調(diào)節(jié)。由于超級電容端電壓響應迅速，更容易調(diào)控，因此該系統(tǒng)具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率及更準確的調(diào)節(jié)方式。新的復合儲能系統(tǒng)能量流動方式如圖 1 所示。

2.2 車輛需求功率估算

復合儲能系統(tǒng)工作時將電能通過逆變器與電機等轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的形式輸出，因此整個過程要求算出研究車輛的行駛功率與能量傳遞轉(zhuǎn)換時的效率，得出復合儲能系統(tǒng)總的需求功率，最終對這部分功率進行管理分配。

汽車在行駛時，汽車的驅(qū)動力與行駛阻力滿足等量關系。該等量關系的傳統(tǒng)方式可用汽車的驅(qū)動力行駛阻力平衡方程來描述，具體如公式(1)所示。

其中，F(xiàn)t為驅(qū)動力(N)；Ff為滾動阻力(N)；Fw為空氣阻力(N)；Fi為坡度阻力(N)；Fj為加速阻力(N)。

在無風、道路坡度較小條件下，該等量平衡公式具體為：

圖1 電動汽車復合儲能系統(tǒng)能量流動示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy flows in an electric vehicle with an hybrid energy storage system

在傳統(tǒng)的汽車動力學中，當確定了目標車型在上述公式中的參數(shù)值后，一般有兩種方法可求出汽車所需的行駛功率。(1)根據(jù)功率公式即可求得車輛所需的行駛功率，但通過此方法有時會面臨計算參數(shù)不準確的問題，特別是與滾動阻力及空氣阻力計算相關的參數(shù)；(2)采用經(jīng)驗公式或估算數(shù)值進行計算，但此方法只適用于某些特定車型，準確性無法完全保證。針對傳統(tǒng)計算方法所存在的缺陷，相關研究通過滑行阻力(coast-down)實驗的方法來擬合滾動阻力、空氣阻力與車速之間的關系，即得到車輛滑行阻力擬合公式[17]，如公式(3)所示。

本研究只針對儲能系統(tǒng)做改進，其他車輛數(shù)據(jù)保持不變，因此其功耗計算依然可沿用原車相關數(shù)據(jù)。寶馬 I3 的相關參數(shù)如表 1 所示[18]。

表1 2014 款寶馬 I3 基本參數(shù)Table 1 2014 BMW I3 basic parameters

阿貢國家實驗室曾對多款純電動汽車在無風、良好模擬路面條件下進行了滑行阻力實驗測試，得到各車型對應的A、B、C數(shù)值[19]。根據(jù)其提供的數(shù)據(jù)，并忽略實驗車輛自身內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)動能，寶馬 I3 實驗車輛行駛需求功率Preq的最終表達式為：

復合儲能系統(tǒng)輸出功率經(jīng)過逆變器、電機等將能量以電能轉(zhuǎn)換為機械能的形式傳遞到電動汽車輪胎上，這個過程勢必會帶來能量損失。由于傳動系統(tǒng)構(gòu)造復雜，直接建模過程困難，精度較低，因此本文采用傳遞效率模型的方式對電機等能量傳遞系統(tǒng)進行建模研究。圖 2 為電機的效率圖[20]。

圖2 電機效率圖Fig.2 Efficiency diagram of electric motor

2.3 復合儲能系統(tǒng)參數(shù)匹配

系統(tǒng)各參數(shù)匹配原則如下所述。

(1)鋰電池：對原車寶馬 I3 的電池組電能特性、物理特性及電池倉體積進行改進。在本文鋰電池/超級電容復合儲能系統(tǒng)中，鋰電池作為主要的儲能單元，提供車輛行駛過程中的絕大多數(shù)能量。為滿足較長行駛里程的車輛性能要求，在選型匹配時需盡量選擇較大能量的鋰電池。但由于以寶馬 I3 作為目標車型，研究過程中需對其建立車輛動力學模型，則其改進后的儲能系統(tǒng)整體質(zhì)量與體積變化不能過大，即對匹配的鋰電池能量密度提出要求——首選能量密度大的鋰電池作為新的主要儲能單元。原車動力電池數(shù)據(jù)如表 2 所示。

表2 原車動力電池數(shù)據(jù)Table 2 Original vehicle power battery data

由于寶馬 I3 車用動力電池供應商為韓國三星公司，因此本研究以三星動力電池公司 2016款三元鋰電池性能為基礎，其質(zhì)量與體積與舊款無變化，能量密度提升為 174 W·h/kg。同時，因需保持鋰電池組總電壓不變，則仍需單體數(shù)量為 96 節(jié)、額定電壓為 355 V。為給超級電容預留空間與質(zhì)量，擬選用容量為 60 A·h，則配置后的總能量、總質(zhì)量分別為 21 300 W·h、122.4 kg。其中，配置后的鋰電池組能量密度與 2016 款相同，但容量縮小了約 1/3。與原車數(shù)據(jù)相比，滿足性能要求條件下質(zhì)量與體積都減小了，從而減小了因超級電容的加入而帶來的影響。

(2)超級電容：在超級電容的參數(shù)匹配過程中，對其影響最大的因素是車輛在指定工況下行駛時驅(qū)動部分所需功率的平均值。將驅(qū)動工況下對應的平均功率作為超級電容開始工作時的介入功率Pin，可求出鋰電池與超級電容共同工作時超級電容的最大輸出功率。為了對超級電容進行保護，最極端輸出功率情況下對應超級電容總能量的 75%，進而算出總能量。

為求出介入功率Pin的大小，需對測試工況進行選擇，且測試工況對后續(xù)能量管理策略的指定密切相關。在選擇測試工況時，應盡可能地涵蓋多種車輛運行狀態(tài)，包括怠速、啟停、低速蠕行與高速超車等，最大限度地全面覆蓋電動汽車的行駛特點。綜合考慮，本文擬采用即將公布的中國汽車測試工況(China Automotive Test Cycles，CATC)[21]、新標歐洲循環(huán)測試工況(New European Driving Cycle，NEDC)與美國城市循環(huán)工況(Urban Dynamometer Driving Schedule，UDDS)共同作為測試工況，工況數(shù)據(jù)如圖 3 所示。工況確定后，通過建立的車輛模型求出外部的需求功率，同時即可得到測試工況驅(qū)動模式平均功率及其對應的超級電容介入功率Pin。測試工況相關數(shù)據(jù)如表 3 所示。

超級電容介入功率確定為 8 kW 后，復合儲能系統(tǒng)共同工作，即外部需求功率超過 8 kW時，根據(jù)超級電容能量最極端輸出時對其參數(shù)進行配置，此時對應超級電容能量為 260 W·h，總能量為 350 W·h。

圖3 標準測試工況Fig.3 Standard driving cycles

表3 測試工況相關參數(shù)Table 3 Parameters of test driving cycles

目前，大多數(shù)超級電容采用 Maxwell 公司的產(chǎn)品。為應對車輛行駛過程中較嚴苛的工作環(huán)境及性能要求，且由于已配置好的鋰電池組預留的質(zhì)量與體積有限，本研究基于 Maxwell 公司現(xiàn)有的產(chǎn)品，選用能量密度較高的組成復合儲能系統(tǒng)，其單體額定能量為 3.8 W·h。根據(jù)產(chǎn)品相關參數(shù)，需單體數(shù)量為 92 節(jié)，串聯(lián)后超級電容組總電壓為 262 V，總?cè)萘繛?37 F。配置后超級電容組質(zhì)量為 48 kg、體積為 37 L，則與原車單電池組相比，復合儲能系統(tǒng)的質(zhì)量與體積無明顯變化。

(3)雙向 DC/DC：雙向 DC/DC 參數(shù)的確定與目標工況對應的車輛需求峰值功率及電機制動再生功率的范圍密切相關。其中，參數(shù)過小則限制超級電容的工作能力，過大則造成功率與成本上的浪費。

在復合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設計過程中，將鋰電池組作為高壓側(cè)、超級電容組作為低壓側(cè)分別與雙向 DC/DC 相連接。根據(jù)已配置好的鋰電池組與超級電容組電壓參數(shù)以及已有的實驗設備配置參數(shù)如下：高壓側(cè)電壓為 250～410 V；低壓側(cè)電壓為 100～300 V；額定功率為 35 kW。圖 4 為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立的雙向 DC/DC 效率圖。

3 能量管理策略設計

圖4 雙向 DC/DC 的工作效率圖Fig.4 Efficiency map of bidirectional DC/DC

在功能性方面，復合儲能系統(tǒng)在設計之初，其核心思想就是利用超級電容良好的功率特性實現(xiàn)驅(qū)動峰值功率補償與制動能量高效回收。對鋰電池功率的“削峰填谷”，同時為保證復合儲能系統(tǒng)能夠合理高效工作，超級電容需時刻保持相對合理的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)。在安全性方面，能量管理策略必須避免鋰電池與超級電容過充與過放情況的發(fā)生。

根據(jù)上述對電動車復合儲能系統(tǒng)能量管理策略的設計目標，且由于基于規(guī)則的能量管理策略易于實現(xiàn)，制定過程根據(jù)其相應的離線優(yōu)化結(jié)果與工程經(jīng)驗，更加具有未來實車利用價值，故本研究提出一種基于規(guī)則的能量管理策略。該能量管理策略正常工作狀態(tài)下綜合考慮了外部不同工況要求與系統(tǒng)自身的能量狀態(tài)兩大因素，以儲能單元 SOC 為基礎，細分不同狀態(tài)下電能流動方向，全面覆蓋整個測試工況，由此自動對復合儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)做出合理規(guī)劃，同時在極端工作情況下可自動啟動保護模式。

針對不同的工作模式及部件自身的工作狀態(tài)，本研究需確定以下幾個邏輯門限值：(1)超級電容介入功率Pin；(2)超級電容目標荷電狀態(tài)SOCt；(3)超級電容充電閾值上限SOCc_max；(4)超級電容放電閾值下限SOCc_min；(5)鋰電池充電閾值上限SOCb_max；(6)鋰電池放電閾值下限SOCb_min；(7)保護模式下鋰電池的限制輸出功率Pb_lin。同時需確定以下幾個狀態(tài)值：(1)恒功率模式下鋰電池放電功率Pb_s1；(2)快速充能模式下鋰電池放電功率Pb_s2。具體規(guī)則描述如下所述。

驅(qū)動工況下：

(1)當車輛需求功率Preq小于超級電容介入功率Pin時，若超級電容SOCc小于目標值，則鋰電池以Pb_s1恒功率輸出。此時，Pb_s1與Preq的差值功率將為超級電容充電，對應恒功率輸出模式。若超級電容SOCc大于目標值，則車輛的需求功率全部由鋰電池提供，對應驅(qū)動功率跟隨模式。

(2)當車輛需求功率Preq大于超級電容介入功率Pin時，若超級電容SOCc低于其放電閾值下限SOCc_min，說明超級電容已不適宜繼續(xù)放電，車輛的需求功率Preq將全部由鋰電池提供。同時，如果復合儲能系統(tǒng)始終保持在此狀態(tài)下工作，說明車輛進入了高速巡航模式。為了不增加鋰電池負擔，即使此時超級電容SOCc較低，電池也不會為超級電容充電。若超級電容的SOCc高于其放電閾值下限SOCc_min，則超出的功率部分由超級電容承擔，電池將以恒定的功率Pin進行放電，對應協(xié)同驅(qū)動模式。

能量回收工況下：

(1)當超級電容SOCc低于目標值SOCt時，為加快超級電容電量恢復速度，減少電池電流脈動，電池將以一恒定功率Pb_s2放電。超級電容的充電功率為制動能量回收功率與電池放電功率之和，對應快速充能模式。當超級電容SOCc低于其充電閾值上限SOCc_max時，將優(yōu)先使用超級電容回收電機產(chǎn)生的再生能量，對應普通回收模式。

(2)當超級電容SOCc高于其充電閾值上限SOCc_max時，說明超級電容已經(jīng)接近充滿，不適合繼續(xù)回收制動能量，所有的制動功率將全部由鋰電池進行回收，對應鋰電池單獨回收狀態(tài)。

保護策略：

復合儲能系統(tǒng)在正常狀態(tài)工作時，主要考慮了實現(xiàn)復合儲能系統(tǒng)的功能，但同時需要考慮極端工作狀態(tài)下整個系統(tǒng)的工作模式，因此，從安全角度出發(fā)，增加兩條保護策略。

(1)在驅(qū)動工況下，當鋰電池SOCb低于放電下限閾值SOCb_min時，說明鋰電池的電量較低，從保護鋰電池與盡可能保證車輛持續(xù)行駛的角度，鋰電池的輸出功率將被限制為Pb_lim。同時，超級電容及雙向 DC/DC 將不再參與車輛的驅(qū)動。

(2)在制動能量回收工況下，由于優(yōu)先采用超級電容回收再生制動能量，當鋰電池與超級電容SOCc都接近其充電閾值上限時，此時儲能系統(tǒng)無法繼續(xù)回收制動能量，整個系統(tǒng)的充電功率將被限制為 0(實現(xiàn)鋰電池和超級電容的過充保護)。

在邏輯規(guī)則的制定過程中，測試工況決定了數(shù)個重要邏輯門限值參數(shù)的具體數(shù)值。同時，基于各組件自身特性，超級電容介入功率Pin、恒功率模式下鋰電池放電功率Pb_s1與快速充能模式下鋰電池放電功率Pb_s2取值相同，規(guī)則相關的邏輯門限值選取如表 4 所示。圖 5 為本文所提出的基于規(guī)則的能量管理策略原理圖。

4 復合儲能系統(tǒng)能量管理策略驗證

4.1 實驗平臺設計

由于在計算機仿真環(huán)境中，整個系統(tǒng)運行在理想狀態(tài)下，各組成部件通信沒有延遲、響應迅速，也沒有其他影響因素，因此所得的結(jié)果只存在于理論上。為驗證所提出的復合儲能系統(tǒng)能量管理策略在實際場景中的應用價值，利用dSPACE 快速控制原型原理搭建半實物仿真實驗臺，將虛擬的控制器與真實的被控對象相結(jié)合，在實際場景中對能量管理策略進行驗證。其驗證平臺架構(gòu)如圖 6 所示。

表4 邏輯門限值Table 4 Logical threshold values

快速控制原型作為控制策略驗證的一種方式，作用原理為虛擬控制器與真實被控對象相結(jié)合，即軟件與實物共同參與驗證。整個驗證過程分為以下幾個部分。

(1)能量管理策略搭建

圖5 基于規(guī)則的能量管理策略Fig.5 Rule-based energy management strategy

圖6 實驗平臺架構(gòu)Fig.6 Architecture of experimental platform

在 Matlab/Simulink 中將策略搭建完成，并借助 dSPACE 內(nèi)嵌于 Matlab/Simulink 中的實時接口(Real Time Interface，RTI)庫，對外部硬件接口在軟件中進行初始化設置，其設置包括接口類型、通訊方式等。

(2)鋰電池與超級電容相關參數(shù)計算

由于本研究中的復合儲能系統(tǒng)能量管理是以各儲能單元的 SOC 狀態(tài)為判斷依據(jù)，但是 SOC無法直接得到，所以需要在軟件中搭建相關計算模型，得出當前 SOC 狀態(tài)。

① 鋰電池：在鋰電池 SOC 研究中，本文擬采用傳統(tǒng)的安時積分法對鋰電池 SOC 進行估算，同時在較為理想的狀態(tài)下忽略庫倫效率對電池容量的影響。鋰電池 SOC 的計算如公式(5)所示。

其中，SOCb為鋰電池當前荷電狀態(tài)；SOCb0為鋰電池初始荷電狀態(tài)；Q為鋰電池的容量；Ib為鋰電池當前電流；t為時間。

② 超級電容：超級電容 SOC 的計算更新與鋰電池相似，具體如公式(6)和(7)所示。

其中，SOCc為超級電容當前荷電狀態(tài)；SOCc0為超級電容的初始荷電狀態(tài)；Vc_max為超級電容上限電壓；Pc為超級電容輸出功率；Cp為超級電容的容量；Rs與Rp分別為超級電容 RC 等效串并聯(lián)內(nèi)阻。

(3)能量管理策略編譯與下載

dSPACE 系統(tǒng)最初的設計目的就是避免繁瑣控制策略代碼的編寫。Matlab/Simulink 中模塊化策略可編譯為 dSPACE 系統(tǒng)可識別的語言，將編譯好的代碼下載到 dSPACE 系統(tǒng)中并識別成功即可完成控制策略的部署。

(4)ControlDesk 設計

在 dSPACE系統(tǒng)自帶的上位機軟件ControlDesk 中，可對 Matlab/Simulink 中的各項數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并實時觀察與記錄，可自主設計監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)監(jiān)測形式，把控實驗流程。

(5)工況模擬

測試工況確定后，根據(jù)車輛模型計算出外部需求功率。本實驗中的電子負載支持指定電力參數(shù)的編輯，可模擬任意工況。將計算好的需求功率以表格的形式導入電子負載中，電子負載即可與復合儲能系統(tǒng)之間進行電能轉(zhuǎn)換與消耗。

(6)數(shù)據(jù)采集

將 dSPACE 硬件接口與外部設備或相關傳感器連接，并設置好采樣頻率與采集通道后即可得到當前整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

(7)功率分配

在復合儲能系統(tǒng)中，雙向 DC/DC 的本質(zhì)可理解為一個開關。能量管理策略通過 dSPACE 得出當前各設備狀態(tài)，自動讀寫雙向 DC/DC 寄存器數(shù)值，同時改變其工作模式來調(diào)節(jié)高壓側(cè)與低壓側(cè)的電壓大小，從而控制鋰電池與超級電容間的功率流動。

由于鋰電池組與超級電容組并未配置相應的管理系統(tǒng)，且并非最新產(chǎn)品，為保證實驗安全與控制成本，所搭建的實驗臺在實車基礎上進行了縮小，負載等級降為 1/24。各組件型號與相關規(guī)格如表 5 所示?；趯嶒炂脚_架構(gòu)，搭建的復合儲能系統(tǒng)能量管理策略快速控制實驗臺如圖 7 所示。

4.2 復合儲能系統(tǒng)能量管理策略實驗結(jié)果與分析

三種測試工況下，復合儲能系統(tǒng)能量管理策略實驗結(jié)果如圖 8～10 所示。從鋰電池與超級電容輸出功率對比圖中可以看出，鋰電池全程基本保持穩(wěn)定輸出，超級電容積極吸收高頻功率。從鋰電池與超級電容 SOC 對比圖中可以

表5 實驗組件參數(shù)Table 5 Parameters of experimental components

圖7 快速控制原型實驗臺Fig.7 Rapid control prototype test bench

看出，鋰電池 SOC 變化平滑，超級電容 SOC變化劇烈，工況結(jié)束后超級電容 SOC自動處于恢復狀態(tài)。這說明基于規(guī)則的電動車復合儲能系統(tǒng)能量管理策略在實際場景中同樣發(fā)揮有效作用。

圖8 CATC 工況下 HESS 鋰電池與超級電容實驗數(shù)據(jù)圖Fig.8Experimental results of lithium battery and supercapacitor in HESS under CATC condition

圖9 NEDC 工況下 HESS 鋰電池與超級電容實驗數(shù)據(jù)圖Fig.9Experimental data of lithium battery and supercapacitor in HESS under NEDC condition

圖10 UDDS 工況下 HESS 鋰電池與超級電容實驗數(shù)據(jù)圖Fig.10Experimental results of lithium battery and supercapacitor in HESS under UDDS condition

4.3 與單電池實驗結(jié)果的比較分析

為驗證復合儲能系統(tǒng)在實際場景中比傳統(tǒng)的單電池儲能系統(tǒng)更具優(yōu)勢，在實驗驗證階段加入了與復合儲能系統(tǒng)相同規(guī)格的鋰電池組作為單電池的儲能系統(tǒng)進行實驗對比。實驗過程中，單鋰電池組參數(shù)、目標工況、研究車型、縮放比例與復合儲能系統(tǒng)實驗完全一致，保證了實驗對比的可行性。實驗結(jié)果如圖 11～13 所示，相關實驗數(shù)據(jù)變化如表 6～8 所示。

圖11 CATC 工況下 HESS 與單電池實驗數(shù)據(jù)比較Fig.11Experimental results comparison between HESS and single battery cases under CATC condition

圖12 NEDC 工況下 HESS 與單電池實驗數(shù)據(jù)比較Fig.12Experimental results comparison between HESS and single battery cases under NEDC condition

圖13 UDDS 工況下 HESS 與單電池實驗數(shù)據(jù)比較Fig.13 Experimental results comparison between HESS and single battery cases under UDDS condition

表6 電池功率平均變化率Table 6 Average power changing rates of battery

表7 電池電流平均值Table 7 Average current values of battery

表8 電池 SOC 最終值Table 8 Final SOC of battery

從復合儲能系統(tǒng)與單電池儲能系統(tǒng)在不同標準工況下鋰電池輸出功率對比圖中可以看出：驅(qū)動工況下，復合儲能系統(tǒng)鋰電池工作狀態(tài)穩(wěn)定，超級電容介入之前的小功率輸出工況下與單電池儲能系統(tǒng)鋰電池輸出功率相近；在面臨大功率輸出時，復合儲能系統(tǒng)超級電容高效迅速地發(fā)揮作用，為鋰電池分擔高頻沖擊；而在單電池儲能系統(tǒng)全程中，都由鋰電池提供輸出能量，高頻劇烈的輸出對鋰電池性能是巨大的考驗。在制動能量回收工況下，復合儲能系統(tǒng)的超級電容作用同樣明顯，鋰電池極少地參與能量回收，避免了頻繁切換工作狀態(tài)對鋰電池造成損傷；而在單電池儲能系統(tǒng)中，鋰電池無法避免對劇烈變化的制動能量的回收。從復合儲能系統(tǒng)與單電池儲能系統(tǒng)在不同的標準工況下鋰電池 SOC 對比圖中可以看出，復合儲能系統(tǒng)中的鋰電池工作狀態(tài)穩(wěn)定，SOC 變化平緩，而單電池儲能系統(tǒng)鋰電池 SOC變化劇烈。由此可知，相較于單電池儲能系統(tǒng)，復合儲能系統(tǒng)可有效避免對鋰電池的大功率沖擊與工作狀態(tài)的高頻切換。

從實驗數(shù)據(jù)對比(表 6～8 )可以看出，相對于單鋰電池系統(tǒng)，復合儲能系統(tǒng)中鋰電池的輸出功率平均變化率和平均電流都明顯降低，即工作狀態(tài)變得更加穩(wěn)定，對鋰電池實際使用壽命的提高也具有一定幫助。同時，復合儲能系統(tǒng)鋰電池SOC 變化相對小，使得新系統(tǒng)相對于原始單電池系統(tǒng)更加節(jié)約能源。

5 分析與討論

為驗證能量管理策略的應用效果，提高能量的利用效率，普遍采用以下 3 種方式對能量管理策略進行驗證。

(1)計算機軟件仿真：即在各種仿真軟件中，建立各類儲能單元的理論模型、整車動力學模型、駕駛員(工況)模型等，并基于這些模型對能量管理策略進行軟件仿真，通過軟件仿真的結(jié)果對能量管理策略的效果進行驗證。該驗證方式使得運行環(huán)境過于理想化，缺乏實際說服力。

(2)電機/測功機實驗臺架測試：利用電機試驗臺模擬汽車行駛工況，并利用工控機/可編程邏輯控制器編程等方式實現(xiàn)能量管理策略的運行，對儲能系統(tǒng)進行測試驗證。但該方法對控制系統(tǒng)要求高，同時機械能轉(zhuǎn)換不可避免地存在較大的能量損失，也增大了安全隱患。

(3)實車測試：即在實車的實驗條件下，通過編寫汽車上 VCU/MCU(整車控制器/電機控制單元)的控制代碼實現(xiàn)能量管理策略。駕駛員根據(jù)測試工況，實際駕駛車輛進行實驗測試，并記錄實驗結(jié)果，根據(jù)實驗結(jié)果對能量管理策略的效果進行驗證。該方式中實車測試策略代碼修改復雜、成本較高。

對上述傳統(tǒng)汽車能量管理策略的驗證方式分析后，本研究采用基于 dSPACE 與電負載模擬系統(tǒng)的車用復合儲能系統(tǒng)能量管理策略的驗證方法并搭建相關實驗平臺。所提出的驗證方法與現(xiàn)有方法主要有兩點區(qū)別：一是使用 dSPACE 基于模型框圖的電控系統(tǒng)開發(fā)方式，即 RCP 快速控制原型功能，能夠方便、靈活地將能量管理策略快速部署于實物平臺，避免了繁瑣的代碼編寫修改調(diào)試工作，提高了實驗效率；二是使用電負載模擬設備模擬汽車行駛工況，即模擬汽車行駛能量消耗與制動能量回收，工況模擬的效果好、精度高，降低了能量轉(zhuǎn)換損失。

6 總 結(jié)

本文對電動汽車鋰電池/超級電容復合儲能系統(tǒng)進行研究，制定了一種基于規(guī)則的能量管理策略；采用 RCP 的思想，利用 dSPACE 軟硬件工具，設計并搭建了復合儲能系統(tǒng)能量管理策略的實驗驗證平臺，并加入可編程的電子負載設備，模擬標準汽車行駛測試工況；將能量管理策略部署在真實的應用場景中，完成了能量管理策略的 RCP 實驗驗證。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)單電池儲能系統(tǒng)相比，復合儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯。本文提出的能量管理策略能較好地發(fā)揮鋰電池的能量特性與超級電容的功率特性，使鋰電池工作狀態(tài)穩(wěn)定、超級電容積極吸收沖擊。在標準測試工況下，復合儲能系統(tǒng)鋰電池較單電池儲能系統(tǒng)平均功率變化率最大減少 26.51%，驅(qū)動模式時平均電流最大減少 58.37%，制動模式時平均電流最大減少 77.79%。更加穩(wěn)定的工作狀態(tài)對延長鋰電池的使用壽命具有一定作用，同時最大可節(jié)能 2.4%。