电力系统保护与控制 第 49 卷 第 16 期 2021 年 8 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.16 Aug. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.201266 基于模糊逻辑的电动汽车双源混合储能系统能量管理策略 安小宇，李元丰，孙建彬，孙嵩楠，申永鹏 (郑州轻工业大学，河南 郑州 450002) 摘要：针对电动汽车行驶过程中电池放电电流过大导致的电池容量衰减问题，构建了由锂离子动力电池、超级电 容和多端口 DC/DC 变换器构成的全主动式混合储能系统，其中电流环控制器和电压环控制器分别控制输出电流 和直流母线电压。结合超级电容 SOC、整车需求功率和车速情况，根据建立的 45 条模糊控制规则，模糊逻辑控 制器调节锂离子动力电池和超级电容的充放电功率，在车辆峰值功率需求较高时避免了高频电流波动对动力电池 寿命的影响。同时在功率需求较低时，动力电池给超级电容充电。在 HWFET 工况下的实验结果表明所提出的全 主动式双能量源混合储能系统和基于模糊逻辑的能量管理策略能够有效保护锂离子动力电池免受大电流波动影 响，从而达到延长电池寿命的作用。 关键词：电动汽车；混合储能系统；模糊逻辑；能量管理；电池寿命 Energy management strategy of a dual-source hybrid energy storage system for electric vehicles based on fuzzy logic AN Xiaoyu, LI Yuanfeng, SUN Jianbin, SUN Songnan, SHEN Yongpeng (Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China) Abstract: Capacity attenuation of power battery is a problem caused by excessively high discharge current during electric vehicle driving. Thus a fully active hybrid energy storage system composed of a lithium-ion power battery, a supercapacitor and multi-port DC/DC converter is constructed, where the current and voltage loop controllers are responsible for the controlling of output current and DC bus voltage, respectively. Then taking the supercapacitor SOC, vehicle demand power and vehicle speed as input variables, and lithium-ion power battery output power as the output variable, a fuzzy logic-based energy management strategy for an energy storage system is proposed by constructing 45 fuzzy rules. The charge and discharge power of the lithium-ion battery and supercapacitor are adjusted by the fuzzy logic controller, which ensures the peak power demand of the vehicle during starting and acceleration, and avoids the impact of high-frequency current fluctuations on the life attenuation of the power battery. When the power demand is low, the power battery charges the ultracapacitor. Experimental results under HWFET show that the proposed fully active dual-energy source hybrid energy storage system and the energy management strategy based on fuzzy logic can effectively protect lithium-ion power battery from large current fluctuations, thereby extending lithium-ion power battery life. This work is supported by the Science and Technology Key Project of Henan Province (No. 202102210317) and Consulting Research Project of China Engineering Science and Technology Development Strategy — Henan Research Institute (No. 2020HENZT06). Key words: electric vehicle; hybrid energy storage system; fuzzy logic; energy management; battery life 0 引言 由于化石能源的巨大消耗，其全球储备量越来 越少，电动汽车相对于燃油汽车具有效率高、经济性 高和零排放等优点，越来越受到世界各国的重视 [1-2]。 基金项目：河南省科技攻关项目资助(202102210317)；中国 工程科技发展战略河南研究院咨询研究项目(2020HENZT06) 大量电动汽车的无序接入将会对电网的安全经济运 行造成冲击，需要合理规划[3-6]。电动汽车储能技术 日益受到关注 [7-8] 。动力电池作为电动汽车的能量 源，大电流和高频充放电会导致其容量衰减和使用 寿命缩短[9-10]，而超级电容具有功率密度高和循环 寿命长等优点，可以保护动力电池免于过度快速放 电，从而延长电池使用寿命[11-15]，以动力电池和超级 电容相结合的混合储能系统能够满足电动汽车对能 - 136 - 电力系统保护与控制 量和功率的双重要求[16-20]。文献[18]总结了四种直流 侧并联混合储能拓扑结构。本文选择锂离子动力电 池、超级电容通过多端口 DC/DC 变换器和负载连 接的拓扑结构，该结构能够灵活控制不同电压能量 源输出功率，从而可以实现复杂的控制策略。 电动汽车混合储能系统能量管理策略对于保护 电池和提高效率具有重要意义。目前针对混合储能 系统能量管理问题，基于逻辑门限值控制、全局和 瞬时优化控制、神经网络、小波变换和模糊控制等 能量管理策略已经得到了初步应用。文献[21-22]通 过逻辑门限值控制电池提供充放电功率的期望值， 而超级电容提供超出期望值的部分功率，但逻辑门 限控制不能充分发挥超级电容的优势，并且该策略 在选取门限值时较大程度上还依赖于人工经验。文 献[23]在复合电源系统模型的基础上建立成本函 数，实现对功率需求的滚动优化；文献[24]针对混 合储能系统建立预测模型，定义优化指标并将其转 化为二次规划问题求解；文献[25]以实时运行成本 为优化目标，利用庞特里亚金最小值原理对混合储 能系统的能量管理策略进行优化；文献[26]以混合 储能系统最小为优化目标，采用动态规划进行求解 以达到合理的功率分配效果，但是它们需要大量的 计算。文献[27]在动态规划的基础上使用神经网络 优化混合储能系统的功率分配，但是神经网络需要 大量的数据样本进行训练和学习。文献[27-28]通过 将需求功率分解为高频和低频部分并分别分配给超 级电容和电池，但是它们不能根据超级电容的荷电 状态调整其功率输出。 模糊逻辑控制是基于专家经验总结出来的、用 自然语言表达的控制策略，具有不依赖精确模型、 对系统参数不敏感、鲁棒性强的特点[29]。本文提出 了由锂离子动力电池、超级电容和多端口 DC/DC 变换器构成的全主动式双能量源混合储能系统，并 以超级电容的荷电状态(State of Charge, SOC)、电动 汽车的需求功率和车速为输入变量，以锂离子动力 电池输出功率为输出变量，通过构造 45 条模糊规 则，提出了基于模糊逻辑的储能系统能量管理策略， 在保障车辆起步和加速时峰值功率需求的同时，避 免了高频电流波动对动力电池寿命的影响。 1 系统结构 1.1 电动汽车双能量源动力结构 电动汽车双能量源及动力结构配置如图 1 所 示，锂离子动力电池和超级电容分别通过多端口 DC/DC 变换器向直流母线提供能量输出，多端口 DC/DC 变换器的直流电能输出再经过逆变器进行 电流逆变，最后形成的交流电驱动电动汽车的牵引 电机。 电动汽车的牵引电机既可以消耗电能完成驱动 功能，又可以将制动电能通过多端口 DC/DC 变换 器反馈给锂离子动力电池和超级电容。控制系统控 制锂离子动力电池、超级电容和直流母线输出之间 的功率流动。 图 1 电动汽车动力结构配置 Fig. 1 Electric vehicle power structure configuration 1.2 混合储能系统结构 电动汽车双源混合储能系统结构如图 2 所示， 该拓扑结构主要包含电压闭环控制器和功率电路 (a)、电流闭环控制器和功率电路(b)以及输出电容和 负载端断路器(c)。该全主动式混合储能系统的主要 特点和新颖之处在于功率型储能装置(超级电容)由 电流闭环控制器控制，能量型储能装置(锂离子动力 电池)由电压闭环控制器控制，在稳定直流母线电压 的基础上实现电动汽车需求功率在功率型储能装置 和能量型储能装置之间的精确分配。 根据混合储能系统的结构和功能特点，输出直 流母线、锂离子动力电池和超级电容之间能量流动 可以是双向的，锂离子动力电池和超级电容的工作 模式主要分为 3 种：放电模式、充放电模式和充