电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究
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第21卷第11期 2017年11月电机与控制学报E l e c t r i c M a c h in e s a n d C o n t r o lV o l.21 N o. 11N o v.2017电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究吴晓刚12,侯维祥\帅志斌3,高明明1(1.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080;.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京1000843.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京100072)摘要：以带有半主动复合储能系统构型的纯电动客车作为研究对象，提出了 一种以最小电池耗能及电池功率变化作为目标函数的凸优化方法。
在中国哈尔滨城市公交道路工况的基础上，对所提 优化方法与基于规则的功率分配策略进行能效及电池功率变化的对比分析。
仿真结果表明，在中 国哈尔滨城市公交道路工况条件下，采用所提凸优化功率分配策略，电池及超级电容的综合能效分别为93.46%和98.81%,电池功率的均方差为5.3153k W,较之基于规则的功率分配策略，电池及 超级电容的综合能效分别提高了 0.74%和0.26%,电池功率均方差降低了 46.91%。
基于此功率优化分配方法能够有效的改善电动汽车的运行特性。
关键词：复合储能系统；功率分配；凸优化；能效分析D O I：10.15938/j.e m c.2017.11.015中图分类号：U.169.72 文献标志码：A 文章编号：100-.419X(2017)1-011—11Power distribution optimization for electric vehicles withhybrid energy storagesystemWU Xiao-gang1'2，HOU Wei-xiang1，SHUAI Zhi-bin3，GAO Ming-ming1(.C o lleg e of Electrical andElcctronics Engineering，Harbin University of Science andT cchnology，Harbin 150080,China;2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy/Tsinghua U niversity, Beijing 100084 »C hina;3.Science and T'cchnology on Vehicle T'ransmission Laboratory»China North Vehicle Research Institute»Beijing 100072 »China.)A b s tr a c t：C o n v e x o p t im iz a t io n w a s p ro p o s e d in o r d e r to m in im iz e e n e rg y c o n s u m p tio n a n d b a t t e r yp o w e r v a r ia t io n f o r a s e m i-a c tiv e h y b r id e n e r g y s to ra g e s y s te m o f an e le c tr ic c it y b u s.R u le-b a s e d o p t im iz a t io n m e th o d a n d p ro p o s e d p o w e r a llo c a tio n s t r a t e g y w e r e c o m p a r e d b a s e d o n a n e le c tr icc it y b u s r u n n in g th e H a r b i n c it yd r i v in g c y c le in re s p e c t of a n a ly s is o f e n e rg y e f f ic ie n c y a n d b a tt e r y p o w e r v a r i a t io n.T h e s im u la t io n r e s u lts s h o w w i t h c o n v e x o p t im iz a t io n p o w e r a llo c a tio n s t r a t e g y，b a t t e r y e n e rg y e f f ic ie n c y，s u p e r c a p a c ito r c o m p r e h e n s iv e e n e r g y e f fic ie n c y a n d th eb a t t e r y p o w e r m e a n s q u a re e r r o r w e r e 98. 81 %，93.46 %a n d 5.315 3 k W.C o m p a r e d w i t h r u le-b a s e d p o w e r a lloc a t io n s t r a t e g y?c o m p r e h e n s iv e e n e rg y e f fic ie n c y o f b a tte r ie s a nd s u pe r c a p a c ito r so f c o n v e x o p t im iz a t io n r e s u lts w e r e in c re a s e d b y 0.74%a n d 0.26%r e s p e c tiv e ly a n d it s b a t t e r y p o w e r v a ria n c e w a s d e c re a s e d b y46.91 %.T h e o p e r a tin g c h a r a c te r is tic s o f e le c tr ic v e h ic le s w a s imp ro v e d b y th e p ro p o s e d p o w e r o p t im iz a t io n m e t h o d.收稿日期：2016-02 —04基金项目：国家自然科学基金青年基金（51105220)黑龙江省自然科学基金（E201451)清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金 (K F16062)作者简介：吴晓刚（981—）男，博士，教授，研究方向为电动汽车能量管理优化；侯维祥（991 一）男，硕士研究生，研究方向为电动汽车复合储能能量管理；帅志斌（986—）男，工程师，研究方向为汽车电子及电驱动系统；高明明（990—），男，硕士研究生，研究方向为多能源系统能量管理。
通信作者：吴晓刚第11期吴晓刚等：电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究115K e y w o r d s：h y b r id e n e rg y s to ra g e s y s te m；p o w e r a llo c a tio n；c o n v e x o p tim iz a tio n；e n e rg y e ffic ie n c y a n a ly s is0引言由于电动公交客车行驶在车速变化较频繁的行驶工况中，电池的充放电频率和充放电电流变化率较高，对于电动汽车中电池系统的选型和循环寿命造成了一定的影响[1—3]。
为了有效解决以上问题，文献[一6]提出了以储能系统复合化的方式，优化 电动汽车储能系统的设计。
超级电容器以其较高的功率密度和能源效率，越来越多地应用在电动汽车的储能系统中[7—8]。
目前对于电动汽车储能系统的应用研究主要集中于系统的选型匹配和能量源间的功率分配[9—10]。
文献[11]针对不同结构的半主动的复合储能系统进行研究，提出了利用动态规划（d y n a m ic p r o g r a m-m i n g，D P)的方法，解决半主动复合储能系统优化选型的问题。
文献[12]提出了一种新的半主动的复合储能系统，并利用D P的方法，解决半主动复合储能系统优化选型的问题，使运行成本及电池的容量衰减达到最低。
文献[13]针对带有半主动复合储能系统的燃料电池混合动力汽车，提出了利用凸优化的方法进行优化选型。
而对于构型已经确定的复合储能系统，若考虑进一步提高动力系统的能效，则可通 过优化储能源间的功率分配来实现[4]。
在电动汽车能量源功率的优化分配研究中，目前大都围绕混合动力系统或插电式混合动力系统的能量管理策略开展优化研究。
文献[5—16]针对半 主动的复合储能系统采用基于规则的能量管理策略。
文献[7]采用模糊控制的能量管理策略对能量储存系统进行能量的分配。
D P的主要优势是能够解决非线性非凸问题[8]然而D P存在的主要问题是随着变量个数的增长计算时间指数性增长，模糊 规则更多建立在经验的基础上。
为了有效弥补2种 常用优化方法的缺陷，文献[9—20]提出采用凸优化方法分别对插电式混合动力汽车（p lu g-in h y b r ide le c tr ic v e h ic le，P H E V)及燃料电池混合动力汽车(f u e l c e ll h y b r i d v e h i c l e，F C H V)进行优化选型及能量管理。
本文以电池一超级电容的半主动复合储能系统的电动公交客车作为研究对象，提出以电池最小耗能和电池功率变化作为优化的目标，采用凸优化的方法对复合储能系统的功率输出进行分配。
在此基础上，与基于规则的功率分配策略进行比较，并对储能系统进行了工作状态及能效的对比分析。
1电动汽车复合储能系统构型分析复合储能系统主要包括被动，全主动，半主动3种构型[1-22]。
被动的复合储能系统的构型如图1所示，超级 电容与电池并联驱动电机。
超级电容作为低通滤波装置，减小了动力系统大功率输出对动力电池的影响。
这种结构具有高效率低成本的特点；然而这种 并联方式需要保证2个能量源具有相同的电压，限 制了超级电容的使用，并且无法实现对2个能量源的控制。
DC总线图1被动的复合储能系统的结构Fig.1 Passive parallel configuration全主动复合储能系统构型如图2所示，该构型应用2个斩波电路。
通过对2个斩波电路进行控制，灵活的实现了对超级电容及电池的能量分配。
