引用本文

吴铁洲, 王越洋, 许玉姗, 郭林鑫, 石肖, 何淑婷. 基于PMP算法的HEV能量优化控制策略. 自动化学报, 2018, 44(11): 2092-2102. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170176

WU Tie-Zhou, WANG Yue-Yang, XU Yu-Shan, GUO Lin-Xin, SHI Xiao, HE Shu-Ting. Energy Optimal Control Strategy of HEV With PMP Algorithm. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(11): 2092-2102. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170176

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c170176

关键词

混合动力汽车，混合储能系统，PSO-PI控制，庞特里亚金极小值原理 

摘要

针对常用混合动力汽车（Hybrid electric vehicle，HEV）中锂离子电池在功率波动较大时难以满足需求，以及单个驱动周期内HEV燃油能耗大且能量不能很好回收等问题，研究采用锂离子电池和超级电容器混合储能系统（Lithium-ion battery and super-capacitor hybrid energy storage system，Li-SC HESS）与内燃机共同驱动HEV运行.结合比例积分粒子群优化算法（Particle swarm optimization-proportion integration，PSO-PI）控制器和Li-SC HESS内部功率限制管理办法，提出一种改进的基于庞特里亚金极小值原理（Pontryagin's minimum principle，PMP）算法的HEV能量优化控制策略，通过ADVISOR软件建立HEV整车仿真模型，验证该方法的有效性与可行性.仿真结果表明，该能量优化控制策略提高了HEV跟踪整车燃油能耗最小轨迹的实时性，节能减排比改进前提高了1.6%~2%，功率波动时减少了锂离子电池的出力，进而改善了混合储能系统性能，对电动汽车关键技术的后续研究意义重大.

文章导读

能源危机现在已经成为全球性的问题, 为了解决日益贫乏的自然能源和越来越恶劣的地球环境问题, 实现汽车工业的可持续发展, 建立清洁可再生的新能源体系成为人类社会发展的必然选择.混合动力汽车低排放、噪声低、热效率高、环保效果显著、可改善能源结构以及可回收利用的能量多等优点成为汽车工业的必然发展趋势[1].考虑锂离子电池本身制约其性能和使用寿命的关键因素, 采用锂离子电池和超级电容器混合储能系统(Lithium-ion battery and super-capacitor hybrid energy storage system, Li-SC HESS)运用于混合动力汽车(Hybrid electric vehicle, HEV).如何协调各储能单元出力、实时对整车动力系统能量优化管理[2-4], 实现Li-SC HESS性能的优化运用并尽可能减少整车燃油能耗, 是推动HEV快速发展的关键技术之一[5-6].能量管理控制系统由于非线性、多变量、时变等因素是混合动力汽车研究的难点[7-8].各国研究者都投入了大量研究, Santucci等[9]提出了一种新的模型预测控制与DP (Dynamic programming)算法结合的动态优化方法, 综合考虑了超级电容器(Super-Capacitor, SC)、锂离子电池的荷电状态(State of charge, SOC), 以及简化的电池老化模型等因素; Masih-Tehrani等[10]考虑燃料消耗和周期性的电池替换等因素, 提出了基于HEV管理成本的DP算法, 较大程度地提高了能耗经济性.但运用DP算法求解的计算量比较大, 耗费时间比较长, 实际应用上难度比较大.基于规则和PI控制方法实现起来比较简单, 但不具有良好的工况适应性[11].在线辨识可以及时获取最新的被控对象, 但是必须基于最新的模型设计[12].而基于庞特里亚金极小值原理(Pontryagin′s minimum principle, PMP)算法的能量优化控制策略, 凭借其计算速度快, 计算量较DP算法小的优点成为近年动态全局优化理论的研究热点[13].

本文针对Li-SC HESS的HEV, 采用PMP全局优化控制算法, 结合Li-SC HESS内部功率限值管理策略对HEV进行能量优化控制, 以期优化管理锂离子电池的充放电状态, 改善Li-SC HESS性能, 同时保证整车行驶过程中车辆的燃油能耗可以实时跟踪燃油能耗最小轨迹.

图 1  HEV整车组成架构

图 2  HEV动力系统的整车功率流向示意图

图 3  Li-SC HESS拓扑结构

本文设计的HEV较传统机动车引入了混合储能装置, 兼具ICE与Li-SC HESS各自的优点.例如, 内部的ICE可以利用现有加油站资源, 减少总体投资成本, 而且可以弥补纯电动汽车难以解决除霜和空调等大能耗问题的缺陷; Li-SC HESS有助于延长传统HEV动力电池使用寿命, 延长汽车的续驶里程.尤其是SC的嵌入使Li-SC HESS能很好地适用于车辆起步、变速及能量回收制动过程.同时, 对HEV能量优化控制还可有效减少汽车尾气排放量, 降低城市环境的污染度, 具有很高的研究价值, 也为今后进一步研究纯电动汽车Li-SC HESS协调分配奠定基础.

作者简介

吴铁洲

湖北工业大学电气与电子工程学院教授, 华中科技大学博士.主要研究方向为储能技术, 系统分析与集成.E-mail:wtz315@163.com

许玉姗  

2016年于湖北工业大学获得硕士学位.主要研究方向为混合储能与能量功率分配策略.E-mail:18271898759@163.com

郭林鑫  

湖北工业大学电气与电子工程学院硕士研究生.主要研究方向为混合储能系统容量的配置.E-mail:guolinxin212@163.com

石肖  

湖北工业大学电气与电子工程学院硕士研究生.主要研究方向为电动汽车混合储能系统控制策略.E-mail:xiao164@163.com

何淑婷  

2017年于湖北工业大学获得硕士学位.主要研究方向为光伏发电和混合储能.E-mail:xwyaster@163.com

王越洋  

湖北工业大学电气与电子工程学院硕士研究生.主要研究方向为电动汽车快速充放电, 储能技术, 本文通信作者.E-mail:wangyueyang214@163.com