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插电式混合动力公交车减少燃油消耗，有害排放物和降低成本效率的潜力在很大程度上取决于混合动力电源系统（特别是具有复杂能量存储系统的混合动力电源系统）特定配置的能源管理策略。由于本研究中的混合储能系统由高能磷酸铁锂电池和超级电容器组成，因此提高锂电池生命周期成本效益的关键是延长锂电池的寿命。在本文中，我们提出了一种基于串联-并联插入式混合动力电动公交车的最优控制策略，该策略基于锂电池退化的模型并最大程度地降低了生命周期的运营成本。为了获得全局最优策略，提出了一种基于二维庞特里亚金极小原理的算法。采取最佳策略后，与单能插入式混合动力公交车相比，电池的退化得以显着降低，总体成本降低了21.7％。进一步体现了混合储能系统的优势和优化算法。
- 介绍
插电式混合动力公交车（PHEB）通过用电替代燃料来减少燃料消耗和排放。他们已经为中国，美国，日本和欧洲等主要市场服务了十多年[1,2]。中国已成为最大的电动客车市场，2015年生产了23,000家工厂。与距离有限的电动公交车相比，插电式混合动力电动公交车可以低成本，高效率地适应不同的公交线路。与柴油发动机相比，[3]在生命周期中具有经济优势。
Pheb有许多电荷损耗，这些电荷损耗会增加车载储能系统（ESS）的能源和电力需求，并在电动公交车的性能中发挥重要作用[4e6]。 ESS必须满足许多要求，例如安全性，能量密度，功率密度，使用寿命，充电率等。锂离子电池（LIB）（磷酸铁锂（LiFePO4）电池（例如LFP电池）或Li4Ti5O12阳极（LTO电池）），锂离子电池（LIB）和超级电容器（SC）是目前的主要电池每个ESS都有其优势和局限性。 LFP电池的能量密度高，但功率密度低，因此可以在电动公交车和工厂中使用。但是，在PHEB上使用时，LFP电池的容量损失会很大[6,7]：在总线生命周期内必须更换，这会大大增加维护成本。主要有两个原因：首先，插电式混合动力汽车的电池比电动公交车更多，在前一种情况下，再生功率会增加放电/充电率。第二个原因是电池通常用于调节发动机功率。 [8e10]与锂离子电池不同，LTO电池的放电温度为10C，因为2月份的高放电率和频繁的充电和放电过程会导致电池性能下降。它具有充电/充电速率，可在35°C至55°C的宽温度范围内工作，具有良好的使用寿命（gt; 20,000个循环），但LTO电池的能量密度相对较低和较高[11e13]。因此，带有LTO电池的电动巴士的行驶里程始终受到限制。与LIB相比，SC具有更高的功率密度和更长的使用寿命，但是具有更低的能量密度（3.5e4.5 Wh / kg）和更高的能量含量[14]。因此，它们只能用于常规混合动力客车中。
由LIB和SC组成的混合储能系统（HESS）在出现大电流波动和能量回收的情况下，可以提供更长的电池寿命以及更好的能源和能源效率。这适用于汽车[15.16]。可以从电网为SC充电以为电动驱动器提供足够的功率，但SC可以节省峰值能量并延长电池寿命。有许多设计仿真，包括使用不同功率电子设备的无源，有源和半有源配置[8]。实际上，在Pheb上使用了带有LFP电池的双向DC / DC转换器HESS，但到2015年底[9]，已有6,000多辆公交车使用此HESS。
电池/ SC HESS的配置和控制已得到彻底检查[13e17]。在这些研究中，HESS可以用作电动公交车的主要能源，也可以用作串并联混合动力公交车的辅助能源。一维（1D）或二维（2D），包括动态规划，庞特里亚金原理（PMP）和等效（燃料）最小化策略（ECMS），并考虑了动态系统的自由度。算法用于得出最佳策略[15， 16。控制目标集中在电源系统的能耗（混合动力公交车的燃料消耗，Pheb电力消耗和燃料电池公交车的氢消耗）上。为了延长电池寿命，控制目标还考虑了电池状态（SOH）[18e20]。但是，在评估和设计HESS总线时，尚未考虑电池的老化情况。换句话说，既不能准确估计HESS的运营成本，也无法达到最佳组件尺寸[21、22]。一种基于云的能量优化控制方法用于解决城市公交路线上的交通流量和车辆的非线性动力学问题。对离线零件的运行状态进行分类，并确定当前的运行状态[23,24]。
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缩写 PHEBs 插电式混合动力公交车 ESS 储能系统 LFP LiFePO4 LTO Li4Ti5O12 SC 超电容器 LIB 自由态锂离子电池 PMP 庞特里亚金最小原理 DP 动态规划 HESS 混合储能系统 DC 直流 ECMS 等效燃油消耗最小化策略 SOH 健康状况 1D 一维 2D 二维 CCBC 中国城市公共汽车自行车赛 DOD 电池放电深度 OCV 开路电压 |
用HESS最佳控制PHEB是一个挑战。在控制级别上，有三种能源（电动机，电池，SC）。
考虑性能和相关成本，以及燃料，功耗和电池损耗之间的平衡。这是最优多用途控制的多维问题。在运行方面，与电动公交车不同，粉会消耗燃料和电力，因此，能源消耗和电池劣化在很大程度上取决于运行和充电模式。
这项研究研究了由LFP电池和SC组成的HESS，以减少电池退化和PHEB生命周期的经济成本。使用电池老化模型评估电池老化的成本。已经提出了二维PMP算法来导出三种用于能量管理的最优策略。据我们所知，仅有几篇文章涉及电池的老化以及混合动力系统（例如电动机，电池和超级电容器）的总成本。另外，所提出的二维PMP算法可以大大减少计算时间。因此，本研究为PHEB的运营管理策略提供了新的见解。
本文的结构如下：在第二部分中，基于典型的总线产品创建了具有HESS和单个LFP电池的串联并联混合电源系统。详细说明驱动方法和充电方法。第3节提出了一种二维PMP算法，该算法考虑了电池退化和总体经济成本。第四节介绍了HESS和单电池总线的最佳结果。
整车造型
2.1。电源系统的配置
串联并联混合动力巴士因其对中国城市运行条件的适应性，简单的配置，简化的控制策略以及高性价比而成为中国市场上的主流PHEB。研究并比较了两种典型的结构。
2.1.1。配置A：单级电池动力传输系统LFP电池是ESS，通常在插电式混合动力汽车中使用。配置A是带有LFP电池的串联并联混合电源系统。如图1所示，传动系统主要由柴油发动机组成，
发电机，牵引电机，LFP电池，控制系统。
2.1.2。配置B：HESS电驱动系统
当在配置A中使用时，LFP电池会严重劣化，因此改进的配置B被HESS取代，后者由LFP电池和SC组成（请参见图2）。所有驱动器具有相同的组件
配置A，不带SC和DC / DC转换器。
两种配置的基本参数可从典型的12米浴槽产品中获得，并列在表1 [3，25]中。公交车的道路质量为12,000千克，并且具有最低要求的电池容量。考虑到乘客的重量（50名乘客平均每人60公斤），半负载时的总重量为15,000公斤。空调对电饭锅有重大影响，应在操作过程中将其打开。 ESS组件的大小如下所述。
串联-并联电源系统具有两个串联-并联配置模式的优势，可以适应慢速和频繁的启停情况。系统以多种模式工作。当汽车起步或速度低于预设阈值（例如20 km / h）时，驱动系统会串联工作。此时，离合器松开，只有驱动马达驱动车辆。它们。如果电池电量高，请关闭引擎，否则引擎将驱动ISG为电池充电。当速度超过阈值时，离合器接合并且系统切换到正常的并联混合动力模式。电机和牵引电机直接或共同驱动总线。即使需要高性能，ISG也可以驱动总线。通过再生制动，离合器松开，拖拉机恢复制动能量并为HESS充电。
通过调整发动机，两个发动机，电池和SC（仅用于配置A的电池）之间的功率分配，串联并联的电源系统可以减少城市环境中的燃料消耗和电池退化。这些优势可以被充分利用。根据ESS的不同，这两种配置的性能可能有所不同。选择电池劣化和生命周期成本作为要测量的参数。在相同的工作和充电条件下进行评估，并使用PMP算法获得最佳性能并确保公平的比较。
2.2。引擎和引擎建模
电动机和牵引电动机都是在现实生活中建模的。该柴油机的最大输出功率为170千瓦。基于准静态假设，发动机动力学可以忽略不计，因此燃料消耗仅是发动机转速和扭矩的函数。无论发动机温度如何影响，发动机在运行过程中都会完全预热。牵引电动机的效率是发动机转速和转速的函数。图3示出了发动机和牵引电动机的效率图。由发动机和牵引电动机产生的扭矩由扭矩离合器累积。
2.3。混合储能系统
2.3.1。系统配置
ESS可以与不同的配置结合使用，例如B. SC到电池的直接连接或SC到DC / DC转换器的连接。每种配置都有其自身的优势和相应的应用程序。有关详细说明，请参见参考文献[29]。图4显示了配置B中使用的HESS的活动配置配置。电池通过双向DC / DC转换器与SC并联连接，平均转换效率为90％。 SC由12个串行模块组成，可满足电动机驱动器的电压要求。
从电池尺寸的角度来看，PHEB的总电气范围（VRE）必须小于每小时40公里，并且必须大于50公里才能达到行业标准。因此，通过反复设置电池尺寸并以40 km / h的恒定速度运行电源系统模型来选择最小电池尺寸。结果表明，该电池由864个（串联48个，并联18个）电池组成，容量为30.41 kWh，与实际产品相对应。表2列出了HESS的基本参数。配置A使用相同的电池。
HESS系统使用这两个ESS。在运行中，SC可以传递和吸收大电流，并且电池可以在连续充电和放电期间补充驱动能量或存储未连接的能量。通过使用DC / DC转换器设置总线电压，SC可以得到充分利用。
2.3.2。电力系统
所选LFP电池的容量为11 Ah，SC模型的容量为最大电压165 f和48V。自2015年以来收集ESS性能和配置信息。电池起始电压UOCV_cell（OCV）和电池 内部充电/放电电阻电池（25c）已过测试。 如图5所示，OCV和内部电阻保持在SOC [0,2,0,9]之内。 SC几乎不可能达到内部极限。
类似于HESS的小区总和SC案例N个小区总和M独立的并行连接结构。 因素：可能有全面的表现。
Uocv_batt，Rbatt，Ubatt，Pbatt和Cbatt是电池组的OCV，内部电阻，端子电压，输出功率和容量。 SC数据包变量具有类似的表示法。
对于电池和SC，控制变量是输出功率Pbatt和Psc，系统状态是充电状态（SOCbatt）和能量状态（SOEsc）。 可以如下得出状态转移方程。
2.3.3。模拟电池老化
LFP电池老化是影响生命周期成本和电动公交车性能的关键因素。需要一个可靠的电池老化模型来量化电池老化的影响和相关的经济成本。许多研究集中于解释和建模LIB降解的机制[25，26]。由于电极，电解质，涂层和制造工艺的差异，降解机理尚不完全清楚。此外，电池的劣化还受到温度，放电深度（DOD）和充电/放电速率等耦合因素的影响。最后，老化测试需要几个月的时间才能完成。这项研究的目的不是了解所有主导机制。相反，我们仅关注总线上电池的使用，并使用退化模型定性地解释性能和存储电荷如何影响电池寿命。
检查的PHEB具有几种已知的运行条件。首先，电池通常在每天开始时充满电，并且电池充电量应保持在0.2-0.9之间，以充分利用能量并防止严重损坏。其次，电池管理系统具有适当的工作温度设置。如果电池容量下降到其标称容量的80％，则认为电池寿命已达到极限，需要更换。
王等。根据电池测试的结果选择并调整建议的半经验退化模型[27]。在参考文献[9]中可以找到详细的电池测试和校准过程。接下来，减小的容量d被转换为电池价值的经济损失（Cbatt）。
其中d是有功容量的累积损耗，dkp是tk时的累积损耗。 该模型考虑温度Tbatt，充电/放电速率C_rate（反映电源的影响）和累积充电率Ah（反映累积损坏）。 DAh是逐步的整个充电过程（从时间tktktk1开始）。 A，B，Ea和z是需要校准的系数。 总线在运行期间的降级会导致电池价值的损失（Cbatt）。 Pbatt是电池的购买价格，d0是更换阈值（0.2），h是更换电池的剩余价值。
2.4。 行驶周期和充电方式
由于城市公交车按规定的路线运行并每天运行，因此城市公交车的性能对行驶条件的敏感性高于对乘用车的敏感性。 因此，必须指定实际的驱动和充电模式。
2.4.1。行驶循环
通过分析大量的运行数据，可以得出中国城市公交车的一些一般特征。公交路线通常短于50公里，每天的总里程为180至210公里。与纯电动公交车相比，PHEB选择了35公里长的公交线路来延长行驶时间。在这项研究中，我们以中国城市公交自行车（CCBC）为基础，并重复了六次以模拟一条35公里长的公交线路。每天的行程包括六次行程，因此每天的里程为210公里。图6显示了CCBC。测试周期具有低平均速度的多个加减速，并反映了城市行驶条件。
在CCBC进行最终运行之前，使用电源系统模型来模拟整体性能和扭矩，如图7所示。由于速度曲线包含许多加速度和减速度，因此性能要求迅速变化。峰值功率要求超过150千瓦，并且差别很大。性能要求将高能谱系统置于峰值负载，并导致频繁的充电和放电。
2.4.2。充电模式
在Pheb的情况下，可用的电池能量决定了行驶时燃料与功率消耗的比率。 因此，必须解除充电模式。 假定野
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