智能無人車輛混合儲能系統(tǒng)選配與參數(shù)優(yōu)化

何強, 劉后剛, 鄒波, 呂布, 陳續(xù)麟, 段昱

(重慶鐵馬工業(yè)集團有限公司, 重慶 400050)

0 引言

伴隨裝備技術(shù)的不斷革新和強烈的軍事需要,智能無人車輛快速發(fā)展,其裝載的儲能系統(tǒng)被寄予具有高功率特性以滿足急加速與再生制動的需求,同時具有高能量特性以滿足長續(xù)航的要求[1]。然而,車輛的動態(tài)性能需求與電池儲能技術(shù)的矛盾阻礙了整體性能的進一步提升。受限于目前的電池材料水平,盡管電池技術(shù)發(fā)展迅猛,現(xiàn)有電池儲能系統(tǒng)依然不能完全滿足整車的性能要求,特別是智能無人車輛多樣化的用電載荷與極限工況的大功率充放電需求,對儲能系統(tǒng)的供電性能提出了更高的挑戰(zhàn)[2-4]。為了解決這個問題,將動力電池與具有高功率密度的超級電容器相結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)(HESS)受到廣泛關(guān)注,被認為是最佳方案之一,其兼有較高的比功率與比能量,可以有效提升儲能系統(tǒng)的功率輸出能力,更好地滿足車輛瞬時啟動、加速、爬坡等大功率需求[5-6]。然而,兩種類型的能源元件也意味著更多的組合結(jié)構(gòu)及可調(diào)參數(shù),直接影響著系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟性和使用壽命等特性。因此,研究HESS的結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)優(yōu)化,對充分發(fā)揮兩種儲能元件的優(yōu)勢和提升整車性能有著重要意義。

為了最大程度地發(fā)揮HESS的效能,很多學(xué)者進行了研究,主要集中在系統(tǒng)參數(shù)辨識與估計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、配電與能量管理策略等方面,取得了豐碩的成果[7]。其中,系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化對HESS性能有很大影響,不僅直接關(guān)系著系統(tǒng)的成本與能耗,還決定了系統(tǒng)的基本性能以及后續(xù)優(yōu)化的可提升性[2],因此被學(xué)者廣泛研究。

一方面,一些學(xué)者基于整車的性能需求對HESS配置進行分析優(yōu)化。文獻[8]針對電動汽車復(fù)雜路況的功率需求,設(shè)計了基于雙向DC/DC能量調(diào)節(jié)器的HESS結(jié)構(gòu),并提出了通過控制DC/DC輸出值來實現(xiàn)系統(tǒng)功率分配的控制策略,測試結(jié)果驗證了方案的有效性。文獻[9]基于城市道路工況數(shù)據(jù),利用整車能量和功率兩方面的需求對動力電池與超級電容進行參數(shù)匹配,并針對充放電電流過大等問題制定了能量控制策略,測試結(jié)果驗證了HESS的優(yōu)勢:可以提高車輛的動力性、減小大電流對動力電池的沖擊等。文獻[10]基于儲能系統(tǒng)典型功率需求等數(shù)據(jù),以最小化年度運行成本為目標,優(yōu)化得到HESS的最佳配置,包括系統(tǒng)的最大功率及動力電池與超級電容的最大功率和容量,與單一電池儲能系統(tǒng)相比,優(yōu)化得到的HESS使系統(tǒng)的經(jīng)濟性提高了37.8%。文獻[11]針對動力電池在大負荷工況頻繁充放電時導(dǎo)致效率下降等問題,以車輛動力性、續(xù)駛里程等為約束條件,以提升整車經(jīng)濟性為主要目標,對HESS進行參數(shù)匹配,并設(shè)計了能量控制策略,通過仿真驗證了可行性。文獻[12]根據(jù)多種典型循環(huán)工況的功率需求及能量需求,以電池容量和超級電容容量為優(yōu)化對象,以HESS的質(zhì)量和成本為目標函數(shù),得到了不同加權(quán)系數(shù)下系統(tǒng)的最佳參數(shù)匹配方案。文獻[13]根據(jù)選定的電池、電容型號,以車輛最短續(xù)駛里程及循環(huán)工況中連續(xù)最高功率需求等為約束條件,匹配優(yōu)化了HESS儲能元件單體參數(shù)。另外,為了分析系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對HESS的影響,文獻[1]選擇行駛里程、拓撲結(jié)構(gòu)、總線電壓等8個參數(shù)進行了系統(tǒng)最優(yōu)尺寸與成本的敏感性分析,發(fā)現(xiàn)行駛里程對HESS成本的影響最大,為混合系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計提供了有益參考。

另一方面,針對HESS參數(shù)配置與系統(tǒng)的質(zhì)量、成本、電池壽命等多個因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系,一些學(xué)者利用多種算法進行參數(shù)優(yōu)化,以獲得最佳結(jié)果。文獻[14]提出一種多目標優(yōu)化方法,同時將HESS的質(zhì)量、成本、電池健康狀態(tài)等作為優(yōu)化目標,將整車最高速度、續(xù)駛里程、加速時間等作為約束條件,以獲得混合系統(tǒng)動力電池與超級電容單體最佳數(shù)量。文獻[15]針對插電式電動汽車HESS的配置進行多目標優(yōu)化,以最大限度地降低系統(tǒng)成本、質(zhì)量和體積,并盡可能延長電池使用壽命,仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的混合系統(tǒng)經(jīng)濟性與質(zhì)量都更優(yōu)。文獻[16]針對HESS參數(shù)配置提出了一種基于DIRECT(DIviding RECTangles)算法的多目標優(yōu)化方法,以減輕HESS的質(zhì)量、延長電池的使用壽命,仿真結(jié)果表明在城市工況中優(yōu)化后的HESS能顯著延長蓄電池使用壽命。文獻[17]開發(fā)了一種多目標混合優(yōu)化算法,對HESS的尺寸與功率分配進行了優(yōu)化,結(jié)果顯示HESS在質(zhì)量、電池壽命等方面可以得到最佳結(jié)果。文獻[18]針對鏟運機負載變化劇烈的特點,提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃算法和帕累托最優(yōu)解集的多目標優(yōu)化方法,解決了HESS的參數(shù)優(yōu)化和能量管理策略優(yōu)化問題。文獻[19]以全壽命行駛里程和折算百公里成本為雙重優(yōu)化目標,并運用NSGA-II算法對HESS的配置參數(shù)與功率分配參數(shù)開展聯(lián)合優(yōu)化,在各目標性能之間取得了合理的平衡。另外,文獻[20-21]也采用粒子群優(yōu)化算法等對HESS參數(shù)進行相關(guān)優(yōu)化,取得了一定成果。

HESS拓撲結(jié)構(gòu)對于整車性能的提升有著重要意義,然而目前的研究主要集中于HESS的能量管理與狀態(tài)估計等方面,對HESS的結(jié)構(gòu)選型與參數(shù)匹配進行的優(yōu)化較少,且現(xiàn)有優(yōu)化方案較為復(fù)雜,可能陷入局部最優(yōu)解。

為了盡可能消除智能無人車輛動態(tài)性能與儲能技術(shù)的矛盾,本文提出一種HESS快速選型與匹配優(yōu)化方法,主要貢獻如下:1)針對智能無人車輛對HESS的基本要求及其運行特性,綜合對比系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及能源元件,選配最優(yōu)系統(tǒng)構(gòu)型;2)基于車輛動力性、靜音續(xù)駛里程等約束條件,以輕量化為目標對系統(tǒng)儲能元件參數(shù)進行匹配優(yōu)化,實現(xiàn)HESS輸入輸出能力與系統(tǒng)質(zhì)量的平衡,從而提高車輛綜合性能。

1 HESS拓撲結(jié)構(gòu)及儲能元件選型

隨著新能源電機、電控等技術(shù)的不斷發(fā)展,電傳動系統(tǒng)逐步應(yīng)用于智能無人車輛,一方面提升了車輛的綜合性能,另一方面也對車輛儲能系統(tǒng)的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn);同時,面對智能無人車輛搭載的各種武器系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等用電需求,對車載儲能系統(tǒng)提出了更高的要求,主要包括:

1)具有高比能量與比功率,以滿足智能無人車輛續(xù)航、加速、載荷用電等需求。

2)工作溫度范圍寬,以保證智能無人車輛在惡劣環(huán)境條件下正常使用。

3)充放電效率高、自放電率低,以降低系統(tǒng)損耗,提升綜合性能。

4)安全可靠、壽命長、成本低等,以降低車輛生產(chǎn)與后期維護成本。

面對采用電傳動構(gòu)型的智能無人車輛對儲能系統(tǒng)的要求,本文結(jié)合儲能技術(shù)現(xiàn)狀,選擇HESS作為車載儲能系統(tǒng),并選取具有高能量密度的動力電池與高功率密度的超級電容作為HESS的基本元件[22],以提升車輛綜合性能。

1.1 HESS拓撲結(jié)構(gòu)對比

目前,HESS的構(gòu)型研究主要集中在三類:主動式構(gòu)型、被動式構(gòu)型及半主動式構(gòu)型,其中半主動式構(gòu)型又可分為動力電池主動式構(gòu)型與超級電容主動式構(gòu)型,如圖1所示。

圖1 HESS典型構(gòu)型

其中,被動式構(gòu)型如圖1(a)所示,此時超級電容組相當(dāng)于濾波器,僅當(dāng)動力電池組電壓發(fā)生較大變化時,其可以減小電池組電流波動[23]。該構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡單,但各分系統(tǒng)的功率不能主動控制,同時超級電容的作用受到限制,不能充分發(fā)揮其功率密度高的優(yōu)勢。

動力電池半主動式構(gòu)型如圖1(b)所示,動力電池組與雙向直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)變換器連接,因此該結(jié)構(gòu)易于對動力電池組的充放電電流進行控制,以延長動力電池壽命。但其工作時易使負載端電壓產(chǎn)生較大變化,影響電壓的穩(wěn)定性,提高了對負載設(shè)備性能的要求。另外,一般電池作為主能量源,能量頻繁經(jīng)過變換器,會增加系統(tǒng)的能量損耗[24]。

超級電容半主動式構(gòu)型如圖1(c)所示,超級電容組先與DC/DC變換器連接再與動力電池組并聯(lián),可以充分發(fā)揮超級電容的優(yōu)勢,承擔(dān)瞬時大電流充放電工作,保護動力電池組。同時,由于動力電池組的端電壓特性較硬,對負載設(shè)備性能要求較低,且動力電池組端沒有連接DC/DC變換器,因此充放電效率較高。但由于超級電容主要承擔(dān)瞬時功率輸入輸出,則該構(gòu)型對于DC/DC變換器的響應(yīng)速度有較高要求[1]。

主動式構(gòu)型如圖1(d)所示,動力電池組與超級電容組分別通過一個DC/DC變換器與負載連接,使得負載電壓較為穩(wěn)定,降低了對驅(qū)動系統(tǒng)及用電負載的性能要求;同時可利用DC/DC分別對動力電池組與超級電容組進行控制,實現(xiàn)能量的最優(yōu)分配。但該連接方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,兩個DC/DC變換器不僅增加了系統(tǒng)的損耗,而且混合系統(tǒng)的控制難度、體積、質(zhì)量與成本等都相應(yīng)增加[22]。

綜上分析,4種拓撲結(jié)構(gòu)的對比如表1所示,考慮無人車輛對儲能系統(tǒng)高效率的要求、其激烈的行駛工況對瞬時充放的需求及用電負載設(shè)備對電壓穩(wěn)定性的要求,最終選擇超級電容半主動式構(gòu)型為基本構(gòu)型。相比被動式構(gòu)型,其不僅可以充分發(fā)揮超級電容的優(yōu)勢,延長電池使用壽命,還降低了對電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求;相比主動式構(gòu)型,其質(zhì)量、成本、控制難度、系統(tǒng)損耗都有優(yōu)勢;相比于電池半主動構(gòu)型,其具有母線電壓穩(wěn)定性更好等優(yōu)勢。

表1 典型拓撲結(jié)構(gòu)對比

1.2 HESS關(guān)鍵部件分析

1.2.1 動力電池分析

目前應(yīng)用于車載動力電池的種類主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等,3種電池性能對比如表2所示。相比于鉛酸動力電池、鎳氫動力電池,鋰離子動力電池具有高比能量、高比功率、循環(huán)壽命長等優(yōu)點,非常貼合混合儲能裝置的需求[25-26],因此選擇鋰離子動力電池作為HESS的儲能元件。

表2 動力電池性能對比

1.2.2 DC/DC變換器分析

根據(jù)超級電容半主動式儲能系統(tǒng)的工作特性,DC/DC變換器必須具備雙向工作的能力,以實現(xiàn)電能雙向流動。限于成本、體積等因素,目前車載DC/DC變換器大多選用非隔離型變換器[27],其主要分為4種拓撲結(jié)構(gòu):雙向半橋型變換器、雙向全橋型變換器、雙向Cuk變換器及雙向SEPIC變換器,如圖2所示。圖2中,S1～S4為功率開關(guān)管,C1～C3為電容,L1、L2為儲能電感,D1～D4為反向并聯(lián)二極管。

圖2 DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

圖2中,雙向半橋型DC/DC變換器不需要傳遞電容,結(jié)構(gòu)簡單,且工作效率高,相比于Cuk變換器、SEPIC變換器對電感有較高的要求、全橋變換器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、控制邏輯及較高的成本[28],很貼合混合儲能裝置的要求,因此選擇半橋式結(jié)構(gòu)為HESS的變換器。

1.2.3 超級電容分析

超級電容具有功率密度高、循環(huán)壽命長、高充放電效率等優(yōu)點,但其比能量低,因此一般與能量型儲能系統(tǒng)混合使用,以實現(xiàn)優(yōu)勢互補[29-30]。根據(jù)表3中的法拉第準超級電容、雙電層超級電容以及混合型超級電容的性能對比,綜合考慮,選擇高功率密度的雙電層超級電容作為HESS的儲能元件。

表3 超級電容性能對比

超級電容存儲的能量E可以用下式表示:

(1)

式中:C為超級電容的電容量;U為超級電容的電壓。

超級電容能量狀態(tài)(SOE)如下式:

(2)

式中:Umax為超級電容最大工作電壓。

選取的超級電容SOE與電壓的關(guān)系如圖3所示。

圖3 超級電容SOE與單體電壓關(guān)系

當(dāng)超級電容電壓降低至最高電壓的一半時,其存儲容量下降為標準容量的四分之一,若繼續(xù)放電,則超級電容性能變差,可能造成不利影響,因此為了保護超級電容,設(shè)置超級電容的截止工作電壓Umin為0.5Umax。則超級電容的荷電狀態(tài)(SOC)定義[31]為

(3)

2 HESS工作模式分析及系統(tǒng)參數(shù)匹配

2.1 HESS工作模式分析

結(jié)合不同儲能元件的工作特性,混合儲能裝置中動力電池為主能源,為車輛行駛提供主要能量,超級電容為輔助能源,負責(zé)供給或回收智能無人車輛急加速或減速等惡劣工況過程中的部分能量。則HESS的工作模式主要包括動力電池單獨供電、混合電源聯(lián)合供電、制動能量回收等,各工作模式能量流如圖4所示。

圖4 HESS工作模式

其中,動力電池單獨供電模式是指當(dāng)車輛處于勻速工況等狀態(tài)時需求功率較為平穩(wěn),依靠動力電池組便能滿足需求,則以鋰離子電池組作為能量源,為整車提供電能,同時根據(jù)需要可對超級電容組進行充電。聯(lián)合供電模式是指當(dāng)車輛處于急加速、爬坡等惡劣工況時,短時需求功率較大,僅靠動力電池組難以滿足電能需求,則依靠超級電容優(yōu)異的瞬時輸出能力,由動力電池組與超級電容組共同輸出電能,避免動力電池組大功率輸出,以延長動力電池壽命。制動能量回收模式是指當(dāng)車輛處于制動、滑行等工況時,此時電機變?yōu)榘l(fā)電機模式,可將車輛動能轉(zhuǎn)為電能,反饋于儲能系統(tǒng),由于超級電容良好的充電性能,優(yōu)先由其回收電能,同時根據(jù)車輛運行及儲能元件狀態(tài),可反饋一部分給動力電池組。

2.2 HESS參數(shù)匹配

智能無人車輛的儲能系統(tǒng)需要滿足整車動力性及純電續(xù)駛里程等要求。其中車輛動力性要求主要是指儲能系統(tǒng)需滿足驅(qū)動系統(tǒng)的功率需求,以完成越野機動等任務(wù),常用的計算方法為通用動力性計算方法與循環(huán)工況匹配法。而純電續(xù)駛里程要求是指儲能系統(tǒng)滿足智能無人車輛靜音行駛的能量要求,以完成隱蔽機動等任務(wù),包括指標直接匹配與工況匹配法[32]。整車性能指標如表4所示,整車主要部件參數(shù)如表5所示。

表4 整車性能指標要求

表5 整車主要參數(shù)

2.2.1 基于動力性約束參數(shù)匹配

2.2.1.1 基于動力性指標參數(shù)匹配

1)最大速度需求功率

車輛在平直路面上行駛的最高車速要求大于90 km/h,此時車輛僅受滾動阻力和空氣阻力[33],則此時需求功率為

(4)

式中:ηT為傳動系效率;m為車輛質(zhì)量;g為重力加速度;f為滾動阻力系數(shù);umax為最高車速;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積。

2)加速需求功率

加速時不要求車輛爬坡,不受爬坡阻力,則需求功率為

(5)

式中:ua為加速末速度;δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);t為加速時間。

3)最大爬坡需求功率

車輛爬坡時,不要求此時加速,功率如下所示:

(6)

式中:ub為爬坡時速度;a為爬坡角度。

4)平均越野需求功率

智能無人車輛越野時,平均需求功率如下所示:

(7)

綜上,輸出功率至少為

P≥max(Pv,Pa,Pc,Pc-c)

(8)

則P≥176.79 kW。

2.2.1.2 基于循環(huán)工況參數(shù)匹配

循環(huán)工況選擇國家標準的中國典型貨車行駛工況(CHTC-HT)(來自GB/T 38146.2—2019),根據(jù)工況的車速等信息計算出其功率需求,如圖5所示。車輛需求最大功率約為178.77 kW,不計制動時車輛需求功率,可得出驅(qū)動平均功率為34.31 kW。

圖5 典型工況需求驅(qū)動功率

結(jié)合指標匹配法和工況匹配法,選擇驅(qū)動電機總峰值功率約為179 kW?？紤]車載附件損耗,在此基礎(chǔ)上擴大一定倍數(shù)[33];同時,為滿足智能無人車輛上裝載的激光雷達、相機及毫米波雷達等感知器件及其他部件的用電功率需求,綜合考慮,選型電機總峰值功率為210 kW,車載能源系統(tǒng)輸出功率約221 kW。

2.2.2 基于能量約束參數(shù)匹配

1)儲能系統(tǒng)能量指標匹配法

儲能系統(tǒng)的能量需要滿足智能無人車輛靜默行駛要求[34],此時車輛僅受滾動阻力和空氣阻力,則車輛驅(qū)動力所做的功為

(9)

式中:ud為行駛速度;s為行駛距離。

代入相關(guān)參數(shù),得到車輛行駛所需能量約為19.47 kW·h?？紤]到驅(qū)動電機效率等因素影響,同時車輛的驅(qū)動能耗與車載附件如激光雷達等器件的能耗分別占總能耗的50%與13%,則儲能系統(tǒng)最低能量[24]為

(10)

式中:Eu為滿足等速續(xù)駛里程要求的最小容量;ηe為驅(qū)動電機效率;Sf為附件能耗。計算得出儲能系統(tǒng)最低能量約為26.19 kW·h。

2)儲能系統(tǒng)能量工況匹配法

根據(jù)循環(huán)工況得到的平均驅(qū)動功率可以計算儲能系統(tǒng)輸出功率,同時考慮智能無人車輛激光雷達、攝像頭等感知器件及其他附件消耗等因素,則儲能系統(tǒng)的最低能量為

(11)

式中:Ec為滿足循環(huán)工況要求的最小容量;Pave為循環(huán)工況平均驅(qū)動功率;tc為循環(huán)工況下行駛20 km所需時間。由此計算得出儲能系統(tǒng)最低能量為 26.64 kW·h。

結(jié)合上述兩種方法,則HESS最低可用能量E為

E≥max(Eu,Ec)

(12)

綜合考慮,儲能系統(tǒng)的最低可用能量為27 kW·h。

2.2.3 基于能量回收參數(shù)匹配

由電機驅(qū)動的車輛在減速過程中,可以控制電機轉(zhuǎn)為發(fā)電機模式以回收部分能量,從而延長續(xù)駛里程,但同時也對車載儲能系統(tǒng)的充電功率及存儲容量提出了要求。為了有效減小頻繁制動對動力電池的沖擊,根據(jù)本文的HESS方案,考慮超級電容的容量至少可吸收最高車速剎車時的回收能量[35],即

(13)

式中;Er為滿足能量回收要求的超級電容最小容量;ηb為制動能量回收轉(zhuǎn)換效率。

“現(xiàn)在的模式不是最終的版本，也并非完美，由于醫(yī)院的目標在變，所以要不停地修訂?！笔┍y說，為了醫(yī)院的發(fā)展，怎么調(diào)整目標或完善目標，是非常難的事情。最難的是，有些部門的工作很難考核。如后勤輔助部門，通下水道、修管道、環(huán)境巡視及一些外包服務(wù)，很難考核。

同時,根據(jù)選配的電機,在制動過程中,當(dāng)電機以滿負荷制動時,考慮附件消耗功率約15%,則儲能系統(tǒng)最大回收功率至少為179 kW。

3 混合系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

為了確定HESS中儲能元件的最優(yōu)數(shù)值,以動力電池與超級電容器單體數(shù)量的極限值為優(yōu)化邊界條件,基于車輛動力性、靜音續(xù)駛里程等約束,以輕量化為目標進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)輸入輸出能力與系統(tǒng)質(zhì)量的平衡。

3.1 儲能元件單體數(shù)量極限值計算

3.1.1 動力電池數(shù)量極限值計算

基于1.2.1節(jié)的分析,選擇某能量型鋰離子電池為能量源,標稱容量45.3 A·h,額定電壓3.6 V,具體參數(shù)如表6所示。儲能系統(tǒng)中動力電池作為能量元件,是整車能量的主要來源,為避免其大倍率充放電,限制其最大充放電倍率為1 Cb,以延長壽命;同時為避免電池不可逆損傷,設(shè)定電池的有效放電系數(shù)為0.8,以免電池深度充放電,則此時動力電池可用容量大約為總?cè)萘康?0%。綜上考慮,為了保證鋰離子電池的有效能量達到27 kW·h,其總能量需達到33.75 kW·h,電池單體數(shù)量需要 207塊,而要使其有效輸出功率達到221 kW,則需要1 356塊電池單體。

表6 動力電池參數(shù)

3.1.2 超級電容數(shù)量極限值計算

表7 超級電容參數(shù)

另外,為了防止充電過程中浪涌電壓造成的影響,設(shè)置超級電容荷電狀態(tài)上限值為95%,同時為使得超級電容盡量工作于高效區(qū)域,設(shè)置超級電容荷電狀態(tài)下限值為10%,則單體超級電容存儲能量如下式:

(14)

式中:USOC_max為超級電容荷電狀態(tài)上限值對應(yīng)電壓;USOC_min為超級電容荷電狀態(tài)下限值對應(yīng)電壓。則當(dāng)滿足27 kW·h有效能量時,需要11 112塊單體。

為了充分發(fā)揮超級電容“削峰填谷”作用,在設(shè)計控制策略時,靈活調(diào)整超級電容的SOC,在高速時維持較低的SOC狀態(tài),以待回收能量;在車速較低時,維持較高的SOC狀態(tài),以待助力車輛加速。同時為保證一定余量,綜合考慮,本文規(guī)定超級電容SOC在低速時維持在0.7～0.9左右,在高速時維持在0.1～0.3左右。則在吸收電能時超級電容可用容量為可用總?cè)萘康?6%,在輸出電能時超級電容可用容量為可用總?cè)萘康?0%。

此外,超級電容在使用中不僅需要承擔(dān)輸出峰值功率的作用,還需承擔(dān)制動回收的作用,根據(jù)前文計算,HESS的最大回收功率至少為179 kW。

3.2 儲能元件數(shù)量優(yōu)化

為滿足智能無人車輛快速機動的需要,對整車質(zhì)量限制較為嚴格,為此本文將HESS的功率與能量需求等作為約束條件,以儲能系統(tǒng)質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標,對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。假設(shè)儲能系統(tǒng)中超級電容器的數(shù)量為x,鋰離子動力電池的數(shù)量為y,則x和y的取值范圍分別為0

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由于對部件質(zhì)量有嚴格限制,在滿足條件的x和y可行域內(nèi)以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標,尋找可行域內(nèi)的最優(yōu)值,基于動力電池及超級電容的單體質(zhì)量,則目標函數(shù)為0.5x+0.56y,可行域如圖6所示,可得到最優(yōu)值為x=101,y=206,此時系統(tǒng)質(zhì)量最小。

圖6 目標函數(shù)與可行域

當(dāng)系統(tǒng)額定電壓為370 V時,若選擇被動式方案,則超級電容需要124塊、鋰電池206塊便滿足要求,根據(jù)串并聯(lián)規(guī)則,確定選取超級電容124塊串聯(lián)、鋰電池串聯(lián)103塊后再并聯(lián),最終系統(tǒng)單體總質(zhì)量為177.36 kg。根據(jù)1.1節(jié)對混合系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的分析,選擇超級電容半主動式構(gòu)型,同時考慮DC/DC特性,選取超級電容101塊串聯(lián)、鋰電池串聯(lián)103塊后再并聯(lián)。當(dāng)只采用動力電池方案并以最大輸出功率計算時,需要動力電池678塊。同時,以文獻[35]優(yōu)化方法為對比方案,綜合考慮附加損耗等能量需求后,得到系統(tǒng)質(zhì)量對比如圖7所示。

圖7 不同方案對比

由圖7可以發(fā)現(xiàn),采用動力電池單獨供能方案時系統(tǒng)質(zhì)量最大,不僅會增加驅(qū)動系統(tǒng)負擔(dān),還會對車載設(shè)備布局產(chǎn)生影響。而采用超級電容半主動方案質(zhì)量最小,為降低智能無人車輛整體質(zhì)量提供了良好基礎(chǔ)。且根據(jù)前文分析不同拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點,超級電容半主動式方案可以充分發(fā)揮超級電容優(yōu)勢,承擔(dān)瞬時大功率輸入輸出工作,總線電壓也更加穩(wěn)定,有利于整車性能的進一步提升。同時,與對比方案相比,本文優(yōu)化結(jié)果質(zhì)量更輕,驗證了優(yōu)化的有效性。

4 仿真分析

根據(jù)第2節(jié)與第3節(jié)匹配的混合系統(tǒng)參數(shù),建立超級電容半主動式構(gòu)型仿真模型以驗證可行性,主要包括工況模塊、混合儲能控制模塊、混合儲能模塊及狀態(tài)監(jiān)測模塊等模型,其中混合儲能模塊包括電池系統(tǒng)、超級電容系統(tǒng)及DC/DC系統(tǒng)等,同時也建立了單獨電池儲能模型,以便進行對比。以CHTC-HT工況前半部分為例,對比HESS與動力電池單獨供能方案的充放電電流與SOC,結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 動力電池系統(tǒng)方案仿真結(jié)果

圖9 HESS方案仿真結(jié)果

動力電池單獨供能方案中,動力電池獨自承擔(dān)車輛運行過程中的輸入輸出功率,如圖8(a)所示,可以發(fā)現(xiàn)在620 s附近,由于需求瞬時功率大,動力電池功率難以滿足需求,車輛的動態(tài)性能受到影響;同時根據(jù)圖8(b)電流變化可知,系統(tǒng)電流變化范圍大且峰值電流高,因此對動力電池的性能提出了較高的要求,對動力電池壽命有不利影響。

在混合儲能方案中,超級電容由于其高功率密度及較高的充放電效率,能夠很好地滿足車輛激烈工況中的瞬時大功率需求,系統(tǒng)輸出功率變化如圖9(a)所示,為了保護動力電池組,其輸入輸出能力受到一定限制,由超級電容組進行動態(tài)補充,以滿足車輛實時需求;同時可以發(fā)現(xiàn),在制動階段,基于實時狀態(tài),超級電容介入非常頻繁,不僅可以及時回收能量,還可減少電池介入的次數(shù),延長其使用壽命。根據(jù)圖9(b)所示電流曲線,在整個過程中,動力電池組電流均在一定范圍內(nèi)平穩(wěn)變化,沒有峰值電流,通過超級電容實時補足,可以有效避免大電流對電池造成的損害,減緩其老化。系統(tǒng)SOC變化如圖9(c)所示,動力電池作為能量的主要提供者,其SOC隨著無人車的運行而逐漸降低,但變化較為平緩,而超級電容由于能量存儲容量較小,在車輛運行過程中不斷進行充電與放電,SOC狀態(tài)起伏較大,同時其SOC變化在0.3～0.9之間變化,根據(jù)前文分析,此時超級電容擁有較高的充放電效率,可以充分發(fā)揮其“削峰填谷”作用。

綜上分析,匹配優(yōu)化的超級電容半主動式儲能系統(tǒng)可以很好地滿足無人車輛整車功率需求,為其進行高速越野機動提供良好支撐,同時通過利用超級電容的高效工作區(qū)間可以有效降低動力電池峰值電流,減少其充放電介入次數(shù),延緩其老化過程,從而延長其服役壽命。

5 結(jié)論

為提升智能無人車輛儲能系統(tǒng)的綜合性能,本文基于車輛動力性指標、靜音行駛里程和典型循環(huán)工況等性能約束,提出了一種以輕量化為目標的HESS參數(shù)匹配優(yōu)化方法,以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)輸入輸出能力與系統(tǒng)質(zhì)量的平衡。得到主要結(jié)論如下:

1)由鋰離子電池組與雙電層超級電容組成的超級電容半主動式儲能系統(tǒng)非常貼合智能無人車輛的運行特性及使用需求,可以充分發(fā)揮超級電容“削峰填谷”的優(yōu)勢,仿真結(jié)果顯示該方案能夠有效降低動力電池大電流沖擊,延長動力電池使用壽命。

2)匹配優(yōu)化方法可以有效降低系統(tǒng)質(zhì)量,相比于被動式方案、動力電池單獨供能方案及對比方案,優(yōu)化后的超級電容半主動式方案質(zhì)量更輕,在系統(tǒng)輸入輸出能力與系統(tǒng)質(zhì)量之間找到了平衡,提升了車輛綜合性能。

綜上所述,本文提出的智能無人車輛HESS的構(gòu)型選取及參數(shù)匹配優(yōu)化方法有效可行。下一步將結(jié)合混合系統(tǒng)能量管理優(yōu)化策略進一步提升HESS性能,并進行實車試驗。