電動(dòng)汽車(chē)能源管理

電動(dòng)汽車(chē)能源管理系統(tǒng)指的是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換裝置中的能量進(jìn)行協(xié)調(diào)、分配和控制的軟、硬件的系統(tǒng)。為了能夠使得電動(dòng)汽車(chē)具有良好的機(jī)械性能、電驅(qū)動(dòng)性能以及合理的能量分配等，所配備的能源管理系統(tǒng)必須對(duì)能量進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)和控制，以實(shí)現(xiàn)最大限度的利用能量，進(jìn)而提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性能。因此能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及策略的實(shí)施至關(guān)重要，本文介紹了有關(guān)的幾項(xiàng)研究。

1 用于電動(dòng)汽車(chē)混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型能源管理策略的開(kāi)發(fā)[1]

1.1 主要目的及原理

混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）主要用于優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。該存儲(chǔ)系統(tǒng)將能源和電源（例如電池和超級(jí)電容器）分開(kāi)，以最大限度地利用其特性。能源管理策略的選擇是改善電源規(guī)模和減少鋰離子電池使用限制的關(guān)鍵因素。因此，本文提出了一種新型HESS管理策略，來(lái)提高嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量、效率或成本。此外，所提出的新型策略還可以改善電池的使用壽命（文中Fig.2）。

本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用情況開(kāi)發(fā)并測(cè)試了用于電池/超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型能源管理策略。其主要思想是根據(jù)超級(jí)電容器SOC電池功率的可變限制，以確保HESS的兩個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)之間功率的最佳分配。對(duì)于相同的電動(dòng)汽車(chē)行駛周期（EV范圍、最大加速度和能量回收），以及相同尺寸的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)（最佳尺寸），采用所開(kāi)發(fā)的能源管理策略可以降低電池電量應(yīng)力，并且在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行期間可以控制電池的健康狀態(tài)（SOH）。

1.2 主要結(jié)論

通過(guò)仿真試驗(yàn)得出的結(jié)果表明，該管理策略有效地降低了電池的RMS（均方根）功率，并驗(yàn)證了電荷數(shù)量可以作為嵌入式能源管理概念中主要影響因素。本文還采用低功耗測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中電池和超級(jí)電容器由電力電子設(shè)備來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)，而存儲(chǔ)系統(tǒng)的電氣模型則在軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的能量管理策略的有效性。

Fig.2 Power management strategies to improve size and aging of the HESS

2 用于串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)最優(yōu)能源管理策略[2]

2.1 主要目的及原理

本文介紹了一種用于串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）的能源管理（EM）策略。所提出的EM策略是一種針對(duì)電荷保持模式設(shè)計(jì)的自適應(yīng)等效消耗最小化策略（ECMS）。該EM策略定義了電池充電狀態(tài)（SOC）的軟限制。但是為了抓住節(jié)能機(jī)會(huì)（CESO），EM策略允許SOC超過(guò)所定義的軟限制。因此，所引入的EM戰(zhàn)略又被命名為ECMS-CESO。另外，針對(duì)串聯(lián)式HEV本文提出了ECMS最優(yōu)等效因子的范圍。該范圍用于推導(dǎo)用于計(jì)算自適應(yīng)等效因子的數(shù)學(xué)公式。所提出的EM戰(zhàn)略的主要優(yōu)勢(shì)在于：ECMS-CESO可以實(shí)現(xiàn)接近最優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性，而且無(wú)需預(yù)測(cè)駕駛者的需求。由于不需要進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此可以消除在預(yù)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)尋找最佳控制的密集計(jì)算。因此，對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，ECMS-CESO很容易被實(shí)現(xiàn)。

ECMS-CESO與其他類(lèi)型的A-ECMS的區(qū)別在于以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）ECMS-CESO主要基于動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行自校準(zhǔn)，因此需要很少的調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)循環(huán)數(shù)據(jù)；

2）ECMS-CESO設(shè)置自適應(yīng)等效因子的數(shù)學(xué)公式；

3）定義SOC的軟限制。當(dāng)有節(jié)能機(jī)會(huì)時(shí)，或者當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不能提供所需的功率時(shí)，允許ECMS-CESO超過(guò)SOC軟限制。

2.2 主要結(jié)論

本文通過(guò)所收集的實(shí)驗(yàn)動(dòng)力總成數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了一系列HEV動(dòng)力學(xué)模型來(lái)評(píng)估ECMS-CESO的性能。與瞬時(shí)A-ECMS和預(yù)測(cè)性A-ECMS相比，ECMSCESO分別將燃油經(jīng)濟(jì)性（MPG）提高了1%和5%。EC?MS-CESO和瞬時(shí)A-ECMS的計(jì)算成本相同，但比預(yù)測(cè)性A-ECMS快得多。ECMS-CESO的性能可以在未來(lái)駕駛條件未知的情況下實(shí)現(xiàn)，而預(yù)測(cè)性A-ECMS則需要獲得駕駛循環(huán)數(shù)據(jù)。另外，ECMS-CESO的調(diào)整參數(shù)取決于傳動(dòng)系，而瞬時(shí)A-ECMS的調(diào)整取決于驅(qū)動(dòng)周期。總而言之，ECMS-CESO不僅具有很好的穩(wěn)健性，并且需要很少的校準(zhǔn)。這使得ECMS-CESO適用于串聯(lián)式HEV的實(shí)時(shí)能源管理，構(gòu)型見(jiàn)文中Fig.1。

Fig.1.Theconfiguration of thepowertrain in a series HEV in thisstudy

3 用于電動(dòng)汽車(chē)雙能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的能源和功率分流管理策略[3]

3.1 主要目的及原理

在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（ESS，F(xiàn)ig.1）的發(fā)展方面，盡管電池開(kāi)發(fā)取得了一些成果，但其功率和能量之間的比例尚未滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的要求。本文介紹了一種考慮到能源和動(dòng)力分流管理策略的超級(jí)電容器（SCs）組件在電動(dòng)汽車(chē)中的集成應(yīng)用，提出了雙ESS的內(nèi)部控制回路和能量管理策略，其中基于綜合模糊邏輯控制器方法的能源管理策略主要用于提高電動(dòng)汽車(chē)的效率和性能。所提出的策略確保電池供電時(shí)能夠提供平均的電力需求部分，并且很容易適用于不同的駕駛模式。

3.2 主要結(jié)論

通過(guò)功率級(jí)硬件在環(huán)（HIL）試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)測(cè)試該策略的性能。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出的能源管理策略能夠有效地協(xié)調(diào)能源流動(dòng)。與純電池配置相比，所提出的策略將電池電流均方根（RMS）值減少了12%，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。內(nèi)部控制回路經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同ESS的完全解耦拓?fù)洹?/p>

本文使用EMR方法在MATLAB/Simulink環(huán)境中開(kāi)發(fā)了一個(gè)全局模型，該模型從擴(kuò)展到混合配置的純電池模型為出發(fā)點(diǎn)。原始配置通過(guò)道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。本文提出的雙ESS的內(nèi)部控制回路和能量管理策略通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果分析表明，相對(duì)于純電池配置而言，在所研究的道路行駛周期中所提出的策略有效地降低了3%的能量消耗。如果駕駛循環(huán)的特征更加城市化，則這種減少會(huì)更大。

Fig.1.Energy and power densitiesof different optionsof ESS in transportation systems(based on[6]).

4 基于集成車(chē)輛硬件在環(huán)（VHIL）方法和模型驗(yàn)證的電動(dòng)混合動(dòng)力系統(tǒng)[4]

4.1 主要目的及原理

通過(guò)使用多種類(lèi)型的能量轉(zhuǎn)換器將汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)混合被認(rèn)為是減少燃料消耗和空氣污染物的重要措施。因此，為了開(kāi)發(fā)高效節(jié)能、高度復(fù)雜的混合動(dòng)力系統(tǒng)，則需要新的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。不同能量轉(zhuǎn)換器的相互作用在混合動(dòng)力系統(tǒng)中起著重要作用，本文討論了將混合動(dòng)力系統(tǒng)納入現(xiàn)有車(chē)輛平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)最高能效的可靠性。本文提出的集成車(chē)輛硬件在環(huán)（VHiL）方法和基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）方法被用于評(píng)估電動(dòng)動(dòng)力總成的能效。

在VHiL中，混合動(dòng)力電動(dòng)動(dòng)力總成模塊是模擬的，而車(chē)輛的其余部分是真實(shí)的。完整的底盤(pán)系統(tǒng)作為車(chē)輛測(cè)試平臺(tái)的一個(gè)組成部分。而一個(gè)完整的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）動(dòng)力車(chē)在轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)架中進(jìn)行了測(cè)試（文中Fig.1），以便于在閉環(huán)、實(shí)時(shí)的反饋配置中集成高能效的混合動(dòng)力電動(dòng)動(dòng)力總成模塊。

4.2 主要結(jié)論及未來(lái)發(fā)展

在VHiL平臺(tái)中，控制測(cè)試臺(tái)的自動(dòng)化軟件與車(chē)載控制器之間的信號(hào)交換，并以閉環(huán)實(shí)時(shí)方式施加在驅(qū)動(dòng)輪上的道路負(fù)載進(jìn)行操縱，以便于實(shí)現(xiàn)所有混合動(dòng)力駕駛模式，包括：所有電力范圍（AER）、電力輔助（EPA）和混合模式（BM）。在成功實(shí)施VHiL（文中Fig.2）后，對(duì)基于規(guī)則（RB）能源管理策略（EMS）和等效消耗最小化策略（ECMS）進(jìn)行比較研究。該研究結(jié)果表明，在兩種控制策略下，測(cè)試車(chē)輛的實(shí)際燃料效率可用于評(píng)估動(dòng)力總成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。電動(dòng)助力能夠顯著地提高燃料效率，混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)果與Equinox配備的傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)的燃油消耗量進(jìn)行了比較，有助于了解混合后獲得的能量轉(zhuǎn)換效率。未來(lái)的研究工作包括測(cè)試不同的配置和新的能源管理策略，其中連接的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)未來(lái)的交通和道路地形信息，從而最大限度地提高復(fù)雜、高效的混合動(dòng)力系統(tǒng)的能源效率。

Fig.1.VHiL PXI platform and dyno interface setup.

參考文獻(xiàn)

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Fig.2.Vehiclehardware-in-the-loop(VHiL)experiment setup