一 、混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

對(duì)于能量管理策略，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中占據(jù)著非常重要的位置，因?yàn)槠渲苯佑绊懙交旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的性能。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的引入，在發(fā)揮動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避免了單一供電的弊端，正確、合理地對(duì)能量供應(yīng)方式進(jìn)行分分配，可以避開單一能源的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。
動(dòng)力鋰電池具有高能量密度低功率密度的特點(diǎn)，超級(jí)電容具有低能量密度高功率密度的特點(diǎn)。用動(dòng)力鋰電池作為車輛的主要能量源，超級(jí)電容做為次要能量源，可以更好的滿足整車的能量需求。

當(dāng)動(dòng)力需求功率比較大時(shí)，超級(jí)電容可以參與峰值功率輸出任務(wù)，發(fā)揮高功率密度的長(zhǎng)處，減緩大倍率電流對(duì)主能量源造成的沖擊，減小主能量源的容量衰減速度，相應(yīng)延長(zhǎng)鋰電池使用壽命，動(dòng)力需求平緩較小時(shí)，可以將動(dòng)力電池高能量密度的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮。
在車輛進(jìn)行制動(dòng)或減速時(shí)，能夠?qū)⒒仞伳芰砍浞治詹⒋鎯?chǔ)，并將之優(yōu)先用于超級(jí)電容的充電，增大動(dòng)力鋰電池充放電的間隔時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。
于混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，其運(yùn)行流程如下：
第一步，車輛開始啟動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)力由超級(jí)電容提供；
第二步，汽車開始保持速度不變，繼續(xù)行駛，此時(shí)由動(dòng)力動(dòng)力鋰電池為汽車提供持續(xù)、穩(wěn)定動(dòng)力；
第三步，當(dāng)汽車需要短時(shí)間內(nèi)提速或者爬坡時(shí)，此時(shí)所需動(dòng)力較大，需要兩種供電設(shè)備同時(shí)工作，以確保汽車驅(qū)動(dòng)所需動(dòng)力充足。
控制策略可根據(jù)汽車實(shí)際情況中所需功率，整合、分配并調(diào)節(jié)動(dòng)力鋰電池、超級(jí)動(dòng)力鋰電池兩種能量供應(yīng)設(shè)備的使用比例。在運(yùn)行過程中，首先要為超級(jí)電容提供電量，以保證其始終處于高SOC值的工作狀態(tài)，電量如有多余，則可存入動(dòng)力鋰電池。

二、 混合動(dòng)力系統(tǒng)能量功率流向

1.超級(jí)電容單獨(dú)工作模式：

電機(jī)唯一供能設(shè)備時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須迅速將汽車行駛速度提至能夠滿足汽車正常行駛時(shí)所需的速度，對(duì)于超級(jí)電容模式而言，電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)提速需要功率較大，此時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)中超級(jí)電容作用就會(huì)體現(xiàn)，其可為瞬時(shí)提速提供充足能量。
功率流向如下圖所示。

2.動(dòng)力鋰電池單獨(dú)工作模式：

勻速行駛工況，或者在負(fù)載較小時(shí)，也就是汽車保持正常前行的狀態(tài)下，一般汽車保持正常前進(jìn)這一過程是一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過程，在這種模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要?jiǎng)恿Ρ仨毞€(wěn)定且持續(xù)，此時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)中動(dòng)力鋰電池作用就會(huì)體現(xiàn)，其可為汽車行駛提供持續(xù)、穩(wěn)定的動(dòng)力?；谕辉恚?jí)電容需要時(shí)刻保持高SOC值的狀態(tài)，如SOC值降低，則動(dòng)力鋰電池對(duì)其進(jìn)行能量補(bǔ)充，以保障汽車處于其他特殊情況時(shí)，同樣能夠保持正常行駛狀態(tài)。能量功率流向如下圖所示，

工作在時(shí)速40-80km/h區(qū)間，功率區(qū)間處于[40kW，80kW]，若超級(jí)電容SOC高于0.6則保持不變，若超級(jí)電容SOC低于0.6時(shí)，動(dòng)力鋰電池保持平穩(wěn)放電的同時(shí)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。

3.當(dāng)動(dòng)力動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容同時(shí)供能模式下：

汽車行駛狀態(tài)為超車時(shí)提速或者是在進(jìn)行爬坡行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在此種狀態(tài)下，所遇爬坡阻力或者重力會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，需要能量源能夠持續(xù)輸出較大功率，如此種情況只使用動(dòng)力鋰電池或者超級(jí)電容為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能，勢(shì)必?fù)p壞供能設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其使用壽命明顯縮短，對(duì)于超級(jí)電容而言，還會(huì)使其SOC值迅速降至較低值，導(dǎo)致其無法持續(xù)輸出較大功率。基于此，同時(shí)供能的工作模式作用就會(huì)體現(xiàn)，此模式下，動(dòng)力鋰電池可為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供穩(wěn)定、持續(xù)的工作功率，超級(jí)電容提供動(dòng)力峰值時(shí)所需功率和瞬時(shí)功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的大功率，在這兩種能量源的配合輸出下，可得到滿足。功率流向如下圖，

4.制動(dòng)能量回收下模式:

汽車在減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,驅(qū)動(dòng)電機(jī)迅速切換為發(fā)電機(jī)，并將所產(chǎn)生的電力存儲(chǔ)在混合動(dòng)力中，儲(chǔ)存在混合動(dòng)力中的電量由能量管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行分類、整合和再分配，此電量會(huì)優(yōu)先滿足超級(jí)電容的需求，只有在超級(jí)電容SOC值處于飽和狀態(tài)時(shí)，才會(huì)將剩余電量向動(dòng)力鋰電池中傳輸并存儲(chǔ)其中。功率流向如下圖，

電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電機(jī)發(fā)電功率與效率的乘積等于制動(dòng)能量回收的功率，

表示發(fā)電機(jī)效率，若超級(jí)電容低于SOC=0.6則，

若超級(jí)動(dòng)力鋰電池高于或等于SOC=0.6則，

優(yōu)先給超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容SOC=1時(shí)候，盡量給動(dòng)力鋰電池充電。

三 、混合動(dòng)力系統(tǒng)控制目標(biāo)

對(duì)于純電混合動(dòng)力系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的性能情況不完全單獨(dú)取決于動(dòng)力鋰電池、超級(jí)電容自身的供電能力，還和整個(gè)系統(tǒng)的能量控制有關(guān)系，采用科學(xué)、高效的管理控制方法，能使得動(dòng)力鋰電池的性能進(jìn)一步提升，使用的效率提高使得成本得到下降。以下為控制目標(biāo)要求：

（1）通過能量管理系統(tǒng)來對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行保護(hù)，汽車在功率需求大幅增加時(shí)，會(huì)引起動(dòng)力鋰電池的工作電流過大造成對(duì)電池的損壞和影響行車安全，需要超級(jí)電容進(jìn)行工作控制電流的倍率。
（2）能量回收對(duì)超級(jí)電容提供相應(yīng)的工作要求，當(dāng)遇到城市擁堵路段，車輛不停的起步和制動(dòng)會(huì)提高車輛的平均用電量，而合適的超級(jí)電容能夠?qū)x車時(shí)差時(shí)的熱能進(jìn)行回收，從而使得動(dòng)力鋰電池的使用時(shí)間更長(zhǎng)，減少充電次數(shù)以加長(zhǎng)動(dòng)力鋰電池的使用壽命。
（3）在混動(dòng)純電能量系統(tǒng)中，會(huì)對(duì)SOC有一定控制要求，車輛在行駛時(shí)動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容需要有合理的SOC，在一定的范圍內(nèi)才不會(huì)影響車輛的性能，有利于提高對(duì)能量的利用效率，滿足在特殊時(shí)期的功率需求

四 、基于閾值判斷的能量分配策略

動(dòng)力系統(tǒng)的能量控制管理策略的核心就是處理好需求和供應(yīng)的關(guān)系，需求指的是車輛在不同行駛環(huán)境下的功率要求，供應(yīng)是系統(tǒng)給動(dòng)力機(jī)構(gòu)分配的能量情況，只有兩者相匹配時(shí)，才不會(huì)造成能量的浪費(fèi)。而這其中要想做到精準(zhǔn)的控制就離不開超級(jí)電容的工作，超級(jí)電容在動(dòng)力鋰電池的能量供應(yīng)不足時(shí)為其彌補(bǔ)功率需求，而動(dòng)力鋰電池也能在超級(jí)電容能量不足時(shí)進(jìn)行輔助，做到任意時(shí)刻都能有一方能參與輔助。

（1）

對(duì)應(yīng)的是車輛的行駛狀態(tài)，當(dāng)該值超過設(shè)置的閾值時(shí)表明車輛此時(shí)的行駛狀態(tài)需要較大的功率，需要進(jìn)行提供的能量來自于超級(jí)電容，只有超級(jí)電容提供的電能能滿足實(shí)際行駛的功率需求時(shí)，來啟動(dòng)動(dòng)力鋰電池輸出能量來補(bǔ)充滿足功率需求；當(dāng)該值大于零但沒有超過閾值時(shí)，表明車輛此時(shí)的行駛狀態(tài)需要較小的功率，此時(shí)根據(jù)兩者的SOC的范圍來決定兩者的工作狀態(tài)，當(dāng)沒有處于SOC的最大值時(shí)，要求在為車輛提供能量輸出的同時(shí)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，當(dāng)SOC超過最大值時(shí)為了保證安全性，此時(shí)只進(jìn)行放電。
（2）對(duì)應(yīng)的是車輛的制動(dòng)狀態(tài)，而對(duì)能量回收也是設(shè)置SOCSC的閾值，是否執(zhí)行回收根據(jù)是否達(dá)到閾值來判斷。只有達(dá)到閾值時(shí)才說明制動(dòng)過程采集的能量已經(jīng)充滿超級(jí)電容電量，對(duì)超級(jí)電容中的能量進(jìn)行回收。超級(jí)電容主要是彌補(bǔ)車輛自身的動(dòng)力鋰電池功率輸出不足而缺少的功率，這樣做的好處就是使得動(dòng)力鋰電池的使用壽命得到了延長(zhǎng)。超級(jí)電容充當(dāng)能量的緩沖站，具有充能和放能得作用，超級(jí)電容電量過低使得動(dòng)力鋰電池進(jìn)行大倍率放電的幾率增大，過高不利于制動(dòng)過程中的能量回收，所以針對(duì)超級(jí)電容的能量管理控制也是依據(jù)設(shè)定的閾值，為了對(duì)兩方面都有利，一般將其閾值設(shè)為0.75，根據(jù)實(shí)際的SOC值跟閾值之間的關(guān)系來控制超級(jí)電容的充放電。，表示超級(jí)電容中的能量可以對(duì)動(dòng)力鋰電池進(jìn)行能量輔助輸出，在超級(jí)電容中的能量被輸出完后進(jìn)入能量回收狀態(tài)，從接下來的制動(dòng)過程中收集能量以及動(dòng)力鋰電池輸出剩余時(shí)進(jìn)行充能；，此時(shí)超級(jí)電容中儲(chǔ)備的能量水平較低不足以滿足實(shí)際的功率需求，此時(shí)需要?jiǎng)恿︿囯姵赝瑫r(shí)進(jìn)行功率輸出，而在超級(jí)電容在不需要輸出的時(shí)候回收制動(dòng)能量或者利用動(dòng)力鋰電池輸出的電能進(jìn)行充能；，此時(shí)超級(jí)電容中的電能儲(chǔ)備不足以進(jìn)行功率輸出，車輛只能通過動(dòng)力鋰電池的功率輸出來滿足使用需求。

五 、基于模糊邏輯的能量分配策略

通過對(duì)電源中動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容進(jìn)行合理的輸出分配，從而滿足不同行駛狀況下的功率需求，并延長(zhǎng)動(dòng)力鋰電池的使用時(shí)間。兩者共同作用來滿足車輛的功率需求，兩者的主要功率輸出作用在實(shí)際使用消耗之中:

模糊控制策略通過控制動(dòng)力鋰電池功率比例因子來決定車輛動(dòng)力鋰電池的工作輸出情況。

模糊控制策略可以根據(jù)來確定兩者在工作中的范圍，根據(jù)車輛在行駛時(shí)的功率需求，再結(jié)合動(dòng)力鋰電池功率比例因子確定兩者的輸出功率數(shù)值。確定好三者之間的關(guān)系，使能夠通過合理的組合共同為車輛提供準(zhǔn)確的功率。
在整個(gè)模糊控制系統(tǒng)中，需要確定系統(tǒng)的變量，對(duì)變量按照模糊化規(guī)則來進(jìn)行模糊化，建立知識(shí)庫(kù)來確定模糊化規(guī)則和解模糊化。

上圖中控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)為整車的功率需求、動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容的，然后按照模糊化控制的流程完成主要的三個(gè)步驟，根據(jù)輸出結(jié)果來準(zhǔn)確分配兩者之間的輸出比例，使得整體的性能最佳，同時(shí)保障車輛的安全性能。

圖4.7 NEDC循環(huán)工況車速功率曲線

根據(jù)該車型NEDC工況-30kw-45kw,置模糊控制需求功率Preq值在-30kw到60kw,整車需求功率Preq 隸屬度函數(shù)的論域?yàn)?/span>[-30,60]，并將其劃分子集:Preq=[VS S M B VB]，其中VS、S、M、B、VB的含義分別是很小，小，中，大，很大。

表4.1輸入變量Preq的模糊參量

輸入量隸屬度函數(shù)

動(dòng)力鋰電池SOC_bat基本論域在[0,1]之間，當(dāng)動(dòng)力鋰電池SOC_bat的值在[0.15,1]之外時(shí)， 動(dòng)力動(dòng)力鋰電池的內(nèi)阻變化很大，影響充放電效率，因此需要對(duì)SOC_bat的范圍做一些調(diào)整，均將其調(diào)整為[0.15,1]，并將其劃分子集:SOC_bat=[S M B ]，其中S、M、B的含義分別是小，中，大。
超級(jí)電容SOC_sc基本論域在[0,1]之間，當(dāng)SOC_sc的值在[0.3,1]之外時(shí)，超級(jí)電容效率高，將其定義為[0.3,1]，并將其劃分子集:SOC_sc=[S M B ]，其中S、M、B的含義分別是小，中，大。

輸入變量SOC_bat和SOC_sc的模糊參量

在設(shè)計(jì)過程中需要考慮的是超級(jí)電容的SOC值并不是固定不變的，因?yàn)樵撝档拇笮?huì)跟隨超級(jí)電容中儲(chǔ)備的電量多少發(fā)生變動(dòng)，當(dāng)超級(jí)電容中的電量用于輔助輸出功率時(shí)電量會(huì)減少，為了保證在需要用到超級(jí)電容的輔助輸出時(shí)有充足的電能，會(huì)降低SOC值來提示系統(tǒng)需要對(duì)其進(jìn)行充能，使得動(dòng)力鋰電池在功率輸出充足的情況下對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充能，所以將比例因子K的變化范圍[0，1.3]劃分為七個(gè)區(qū)間，K={LE,ML,ME,MB,GE,CL,CG},分別代表{小，較小，中，較大，大，低充，高充}，能夠根據(jù)實(shí)際的使用需求選擇合適的比例因子K，比如超級(jí)電容中的時(shí)就控選擇較大的K來提高動(dòng)力鋰電池的輸出功率，在為車輛行駛提供動(dòng)力的同時(shí)為超級(jí)電容充電。

輸出變量的模糊參量

模糊控制器是模仿人類的推理決策行為，這決策的形成離不開相關(guān)的規(guī)則，所以在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)確定由模糊條件語句得到基本準(zhǔn)則是最關(guān)鍵和主要的任務(wù)，控制器將確定好的模糊規(guī)則轉(zhuǎn)化成可以運(yùn)算的數(shù)值，以滿足不同的目標(biāo)控制任務(wù)。
按照車輛的需求功率 Pr 的不同，將模糊策略簡(jiǎn)單地分為三種情況：
(1) 當(dāng) Pr 大于 0 且較大時(shí)，若 BSOC和 CSOC 都比較大，則鋰離子動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容共同輸出能量；若 CSOC較低，BSOC較高，則鋰離子動(dòng)力鋰電池單獨(dú)供能；若 BSOC 較低，而 CSOC 較高時(shí)，讓超級(jí)電容承當(dāng)最大功率，而鋰離子動(dòng)力鋰電池分擔(dān)平均功率；若 BSOC和 CSOC 均較低，為使汽車能夠正常行駛，則鋰離子動(dòng)力鋰電池起主要輸出作用，而超級(jí)電容進(jìn)行較小地輸出。
(2) 當(dāng) Pr 大于 0 且較小時(shí)，這種情況下動(dòng)力鋰電池放電電流較小，若 BSOC 較低，而 CSOC 較高，則超級(jí)電容單獨(dú)供能；若 BSOC 和 CSOC 均較低，則鋰離子動(dòng)力鋰電池作為主要輸出電源，超級(jí)電容分擔(dān)較小地輸出；若 BSOC 較高，而 CSOC 較低，那么鋰離子動(dòng)力鋰電池單獨(dú)提供能量；若 BSOC 較高，CSOC 也較高時(shí)，則由鋰離子動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容一起進(jìn)行能量的輸出； 
(3) 當(dāng) Pr 小于 0 時(shí)，在這時(shí)為制動(dòng)回收模式，根據(jù)鋰離子動(dòng)力鋰電池的 SOC 值和超級(jí)電容地 SOC 值對(duì)控制策略作不同的制定，其控制策略為： 
若 BSOC 和 CSOC 都比較低，那么先允許超級(jí)電容對(duì)系統(tǒng)充電，充滿后再通過鋰離子動(dòng)力鋰電池充電；若 BSOC 較低，CSOC 較高時(shí)，那么由鋰離子動(dòng)力鋰電池獨(dú)自充電；若 BSOC 較高，CSOC 也較高，同樣允許鋰離子動(dòng)力鋰電池獨(dú)自充電；若 BSOC 較高，而 CSOC 較低，則先經(jīng)過超級(jí)電容對(duì)系統(tǒng)充電，其次再由鋰離子動(dòng)力鋰電池充電。
根據(jù)模糊控制理論的原理和對(duì)混合動(dòng)力的模糊控制的要求，確定四十五條對(duì)應(yīng)的規(guī)則，下表給出了不同功率需求下的每一種控制規(guī)則。

車輛行駛過程中的不同狀況下的功率需求可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的模糊控制規(guī)則，來控制混合動(dòng)力中的主要參數(shù)，使得車輛所需的功率合理的分配，提高車輛的綜合性能。使用Matlab軟件中的Simulink模塊將這些模糊控制規(guī)則編寫在同一個(gè)知識(shí)庫(kù)中。下圖展示的是輸出比例分別和功率需求、動(dòng)力鋰電池的以及超級(jí)電容的之間的關(guān)系。

規(guī)則知識(shí)庫(kù)及動(dòng)力鋰電池功率輸出比例與所需功率之間的關(guān)系

動(dòng)力鋰電池功率輸出比例與動(dòng)力鋰電池、超級(jí)電容剩余電量之間的關(guān)系