一 、混合動力系統(tǒng)工作模式

對于能量管理策略，在混合動力系統(tǒng)中占據(jù)著非常重要的位置，因為其直接影響到混合動力系統(tǒng)的性能。

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

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

二、 混合動力系統(tǒng)能量功率流向

1.超級電容單獨工作模式：

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

2.動力鋰電池單獨工作模式：

勻速行駛工況，或者在負載較小時，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這一過程是一個比較漫長的過程，在這種模式下，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)需要動力必須穩(wěn)定且持續(xù)，此時，混合動力系統(tǒng)中動力鋰電池作用就會體現(xiàn)，其可為汽車行駛提供持續(xù)、穩(wěn)定的動力?；谕辉?，超級電容需要時刻保持高SOC值的狀態(tài)，如SOC值降低，則動力鋰電池對其進行能量補充，以保障汽車處于其他特殊情況時，同樣能夠保持正常行駛狀態(tài)。能量功率流向如下圖所示，

工作在時速40-80km/h區(qū)間，功率區(qū)間處于[40kW，80kW]，若超級電容SOC高于0.6則保持不變，若超級電容SOC低于0.6時，動力鋰電池保持平穩(wěn)放電的同時對超級電容進行充電。

3.當動力動力鋰電池和超級電容同時供能模式下：

汽車行駛狀態(tài)為超車時提速或者是在進行爬坡行駛時，驅(qū)動電機在此種狀態(tài)下，所遇爬坡阻力或者重力會持續(xù)很長一段時間，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力鋰電池或者超級電容為驅(qū)動電機供能，勢必損壞供能設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其使用壽命明顯縮短，對于超級電容而言，還會使其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，同時供能的工作模式作用就會體現(xiàn)，此模式下，動力鋰電池可為驅(qū)動電機提供穩(wěn)定、持續(xù)的工作功率，超級電容提供動力峰值時所需功率和瞬時功率，驅(qū)動電機所需的大功率，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.制動能量回收下模式:

汽車在減速運動狀態(tài)下,驅(qū)動電機迅速切換為發(fā)電機，并將所產(chǎn)生的電力存儲在混合動力中，儲存在混合動力中的電量由能量管理系統(tǒng)對其進行分類、整合和再分配，此電量會優(yōu)先滿足超級電容的需求，只有在超級電容SOC值處于飽和狀態(tài)時，才會將剩余電量向動力鋰電池中傳輸并存儲其中。功率流向如下圖，

電機處于發(fā)電機狀態(tài)，電機發(fā)電功率與效率的乘積等于制動能量回收的功率，

表示發(fā)電機效率，若超級電容低于SOC=0.6則，

若超級動力鋰電池高于或等于SOC=0.6則，

優(yōu)先給超級電容充電，當超級電容SOC=1時候，盡量給動力鋰電池充電。

三 、混合動力系統(tǒng)控制目標

對于純電混合動力系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的性能情況不完全單獨取決于動力鋰電池、超級電容自身的供電能力，還和整個系統(tǒng)的能量控制有關(guān)系，采用科學(xué)、高效的管理控制方法，能使得動力鋰電池的性能進一步提升，使用的效率提高使得成本得到下降。以下為控制目標要求：

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

四 、基于閾值判斷的能量分配策略

動力系統(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)給動力機構(gòu)分配的能量情況，只有兩者相匹配時，才不會造成能量的浪費。而這其中要想做到精準的控制就離不開超級電容的工作，超級電容在動力鋰電池的能量供應(yīng)不足時為其彌補功率需求，而動力鋰電池也能在超級電容能量不足時進行輔助，做到任意時刻都能有一方能參與輔助。

（1）

對應(yīng)的是車輛的行駛狀態(tài)，當該值超過設(shè)置的閾值時表明車輛此時的行駛狀態(tài)需要較大的功率，需要進行提供的能量來自于超級電容，只有超級電容提供的電能能滿足實際行駛的功率需求時，來啟動動力鋰電池輸出能量來補充滿足功率需求；當該值大于零但沒有超過閾值時，表明車輛此時的行駛狀態(tài)需要較小的功率，此時根據(jù)兩者的SOC的范圍來決定兩者的工作狀態(tài)，當沒有處于SOC的最大值時，要求在為車輛提供能量輸出的同時對超級電容進行充電，當SOC超過最大值時為了保證安全性，此時只進行放電。
（2）對應(yīng)的是車輛的制動狀態(tài)，而對能量回收也是設(shè)置SOCSC的閾值，是否執(zhí)行回收根據(jù)是否達到閾值來判斷。只有達到閾值時才說明制動過程采集的能量已經(jīng)充滿超級電容電量，對超級電容中的能量進行回收。超級電容主要是彌補車輛自身的動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力鋰電池的使用壽命得到了延長。超級電容充當能量的緩沖站，具有充能和放能得作用，超級電容電量過低使得動力鋰電池進行大倍率放電的幾率增大，過高不利于制動過程中的能量回收，所以針對超級電容的能量管理控制也是依據(jù)設(shè)定的閾值，為了對兩方面都有利，一般將其閾值設(shè)為0.75，根據(jù)實際的SOC值跟閾值之間的關(guān)系來控制超級電容的充放電。，表示超級電容中的能量可以對動力鋰電池進行能量輔助輸出，在超級電容中的能量被輸出完后進入能量回收狀態(tài)，從接下來的制動過程中收集能量以及動力鋰電池輸出剩余時進行充能；，此時超級電容中儲備的能量水平較低不足以滿足實際的功率需求，此時需要動力鋰電池同時進行功率輸出，而在超級電容在不需要輸出的時候回收制動能量或者利用動力鋰電池輸出的電能進行充能；，此時超級電容中的電能儲備不足以進行功率輸出，車輛只能通過動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

通過對電源中動力鋰電池和超級電容進行合理的輸出分配，從而滿足不同行駛狀況下的功率需求，并延長動力鋰電池的使用時間。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際使用消耗之中:

模糊控制策略通過控制動力鋰電池功率比例因子來決定車輛動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)車輛在行駛時的功率需求，再結(jié)合動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確的功率。
在整個模糊控制系統(tǒng)中，需要確定系統(tǒng)的變量，對變量按照模糊化規(guī)則來進行模糊化，建立知識庫來確定模糊化規(guī)則和解模糊化。

上圖中控制器的設(shè)計依據(jù)為整車的功率需求、動力鋰電池和超級電容的，然后按照模糊化控制的流程完成主要的三個步驟，根據(jù)輸出結(jié)果來準確分配兩者之間的輸出比例，使得整體的性能最佳，同時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)的論域為[-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)

動力鋰電池SOC_bat基本論域在[0,1]之間，當動力鋰電池SOC_bat的值在[0.15,1]之外時， 動力動力鋰電池的內(nèi)阻變化很大，影響充放電效率，因此需要對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。
超級電容SOC_sc基本論域在[0,1]之間，當SOC_sc的值在[0.3,1]之外時，超級電容效率高，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)計過程中需要考慮的是超級電容的SOC值并不是固定不變的，因為該值的大小會跟隨超級電容中儲備的電量多少發(fā)生變動，當超級電容中的電量用于輔助輸出功率時電量會減少，為了保證在需要用到超級電容的輔助輸出時有充足的電能，會降低SOC值來提示系統(tǒng)需要對其進行充能，使得動力鋰電池在功率輸出充足的情況下對超級電容進行充能，所以將比例因子K的變化范圍[0，1.3]劃分為七個區(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)實際的使用需求選擇合適的比例因子K，比如超級電容中的時就控選擇較大的K來提高動力鋰電池的輸出功率，在為車輛行駛提供動力的同時為超級電容充電。

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)計模糊控制器時確定由模糊條件語句得到基本準則是最關(guān)鍵和主要的任務(wù)，控制器將確定好的模糊規(guī)則轉(zhuǎn)化成可以運算的數(shù)值，以滿足不同的目標控制任務(wù)。
按照車輛的需求功率 Pr 的不同，將模糊策略簡單地分為三種情況：
(1) 當 Pr 大于 0 且較大時，若 BSOC和 CSOC 都比較大，則鋰離子動力鋰電池和超級電容共同輸出能量；若 CSOC較低，BSOC較高，則鋰離子動力鋰電池單獨供能；若 BSOC 較低，而 CSOC 較高時，讓超級電容承當最大功率，而鋰離子動力鋰電池分擔(dān)平均功率；若 BSOC和 CSOC 均較低，為使汽車能夠正常行駛，則鋰離子動力鋰電池起主要輸出作用，而超級電容進行較小地輸出。
(2) 當 Pr 大于 0 且較小時，這種情況下動力鋰電池放電電流較小，若 BSOC 較低，而 CSOC 較高，則超級電容單獨供能；若 BSOC 和 CSOC 均較低，則鋰離子動力鋰電池作為主要輸出電源，超級電容分擔(dān)較小地輸出；若 BSOC 較高，而 CSOC 較低，那么鋰離子動力鋰電池單獨提供能量；若 BSOC 較高，CSOC 也較高時，則由鋰離子動力鋰電池和超級電容一起進行能量的輸出； 
(3) 當 Pr 小于 0 時，在這時為制動回收模式，根據(jù)鋰離子動力鋰電池的 SOC 值和超級電容地 SOC 值對控制策略作不同的制定，其控制策略為： 
若 BSOC 和 CSOC 都比較低，那么先允許超級電容對系統(tǒng)充電，充滿后再通過鋰離子動力鋰電池充電；若 BSOC 較低，CSOC 較高時，那么由鋰離子動力鋰電池獨自充電；若 BSOC 較高，CSOC 也較高，同樣允許鋰離子動力鋰電池獨自充電；若 BSOC 較高，而 CSOC 較低，則先經(jīng)過超級電容對系統(tǒng)充電，其次再由鋰離子動力鋰電池充電。
根據(jù)模糊控制理論的原理和對混合動力的模糊控制的要求，確定四十五條對應(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)對應(yīng)的模糊控制規(guī)則，來控制混合動力中的主要參數(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)則編寫在同一個知識庫中。下圖展示的是輸出比例分別和功率需求、動力鋰電池的以及超級電容的之間的關(guān)系。

規(guī)則知識庫及動力鋰電池功率輸出比例與所需功率之間的關(guān)系

動力鋰電池功率輸出比例與動力鋰電池、超級電容剩余電量之間的關(guān)系