摘 要 鋰離子電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)因其良好的性能、較低的成本和較強的通用性，已成為應(yīng)用最為廣泛的混合儲能系統(tǒng)。能量管理技術(shù)是混合儲能系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也是當(dāng)前主要的研究熱點。為了系統(tǒng)地對混合儲能系統(tǒng)能量管理方法進行綜述，本文首先對鋰離子電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、能量管理架構(gòu)以及功率分配控制進行了介紹；而后，本文將現(xiàn)有的混合儲能系統(tǒng)能量管理方法分為基于經(jīng)驗、基于優(yōu)化、基于工況模式識別和基于機器學(xué)習(xí)5大類并進行了詳細的對比分析，重點針對規(guī)律性工況與隨機性工況討論了各類能量管理方法的效能，并分析了各類方法的魯棒性與計算復(fù)雜度；最后，本文對現(xiàn)有的能量管理方法進行了總結(jié)，并對該領(lǐng)域未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。綜合分析表明，提高對隨機性負載未來工況的預(yù)測精度、建立更加精準(zhǔn)的混合儲能系統(tǒng)模型并通過云端協(xié)同進一步提升能量管理方法的實時性將是未來混合儲能系統(tǒng)能量管理研究的重點。
關(guān)鍵詞 混合儲能系統(tǒng)；能量管理；功率分配；鋰離子電池；超級電容器
儲能技術(shù)作為新能源產(chǎn)業(yè)的重要支撐技術(shù)，常用于電網(wǎng)功率的削峰填谷、克服可再生能源發(fā)電的間歇性、改善電能質(zhì)量，以及為電動汽車、輕軌列車、船舶等交通工具提供動力來源。隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池(lithium-ion battery，LIB)以其較高的能量密度、較好的功率性能、極低的自放電率和較低的成本，成了新能源產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的儲能器件。但單純由LIB構(gòu)成的儲能系統(tǒng)仍有許多不足之處，例如在低溫下使用時其性能劣化嚴(yán)重、壽命快速衰減，大倍率脈沖放電以及功率吞吐需求波動較大的工況也會導(dǎo)致LIB儲能系統(tǒng)的快速老化；此外，由于LIB功率性能并不突出，在功率需求高、能量需求低，抑或是對儲能系統(tǒng)有著長壽命要求的應(yīng)用場景下需要堆疊過多的電池單體，這導(dǎo)致系統(tǒng)體積重量過大，電池購置、運行與管理成本高昂。
因此，如何改善LIB的工作條件，減緩其容量衰減成了儲能技術(shù)研究的核心問題。將2種或2種以上的儲能系統(tǒng)組合成一個混合儲能系統(tǒng)(hybrid energy storage systems，HESS)可以揚長避短，較好地解決低溫、大倍率脈沖放電以及功率波動影響LIB系統(tǒng)壽命的問題；HESS中的功率型器件和能量型器件可以按照應(yīng)用需求靈活配置，能夠避免堆疊過多的電池單體，降低儲能系統(tǒng)購置、運行與管理成本。
當(dāng)前主流的儲能系統(tǒng)的性能參數(shù)如表1所示，其中超級電容器(supercapacitor，SC)在體積、成本、工作方式、日歷壽命等應(yīng)用條件方面與LIB接近，而在功率密度、能量密度、自放電率、循環(huán)壽命等電氣性能方面與LIB可以形成很好的互補，由LIB和SC構(gòu)成的HESS已被廣泛用作各類電動交通工具的動力源或功率緩沖系統(tǒng)，以及電網(wǎng)、風(fēng)電場與光伏電站的配套儲能系統(tǒng)；目前學(xué)界關(guān)于HESS的研究也大多基于LIB與SC構(gòu)成的HESS展開。
雖然鋰離子電池/超級電容器(lithium-ion battery /supercapacitor，LIB/SC)混合儲能系統(tǒng)相比純LIB儲能系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，但要實現(xiàn)LIB與SC的優(yōu)勢互補，需要將負載的實時功率在二者之間進行科學(xué)合理的分配，這給LIB/SC混合儲能系統(tǒng)的能量管理策略設(shè)計帶來了不小的挑戰(zhàn)。因此，本文從LIB/SC混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，簡要介紹了LIB/SC混合儲能系統(tǒng)的能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)框架以及其中的功率分配底層控制流程，而后重點對LIB/SC混合儲能系統(tǒng)的能量管理方法進行了分類闡述與對比分析，最后總結(jié)了現(xiàn)有能量管理方法的特點，并展望了LIB/SC混合儲能系統(tǒng)能量管理的發(fā)展趨勢和下一步的研究方向。
2 混合儲能系統(tǒng)能量管理技術(shù)概述
2.1 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)概述
HESS拓撲結(jié)構(gòu)的選擇決定了其能否經(jīng)由混合儲能EMS進行功率分配控制。按照子系統(tǒng)間功率分配是否受控，現(xiàn)有的LIB/SC混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)可以分為受控式拓撲和無控式拓撲2大類，如圖1所示。
在受控式HESS中，混合儲能EMS通過對雙向DC/DC變換器的控制實現(xiàn)子系統(tǒng)間的功率分配。按照雙向DC/DC變換器的使用數(shù)量和連接方式，受控式HESS拓撲可以分為全主動式拓撲和半主動式拓撲2種類型，如圖2(a)和圖2(b)、(c)所示。
圖2(a)展示了全主動式HESS的拓撲結(jié)構(gòu)。在該拓撲中，LIB和SC子系統(tǒng)分別通過雙向DC/DC變換器連接到直流總線上；此時各個子系統(tǒng)的輸出功率與總線電壓均可控，適用于對總線電壓穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景。
實現(xiàn)LIB子系統(tǒng)和SC子系統(tǒng)間的電流受控分配是受控式HESS拓撲最主要的功能。當(dāng)負載需求功率一定時，采用半主動式結(jié)構(gòu)的HESS只通過一個雙向DC/DC變換器控制與之相連的子系統(tǒng)的輸出功率，其余功率需求由另一子系統(tǒng)補足，也能實現(xiàn)受控的功率分配；但此時總線電壓不再可控。圖2(b)和圖2(c)展示的是半主動式HESS的2種不同構(gòu)型，當(dāng)SC子系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器接入總線，LIB子系統(tǒng)直接與總線連接時稱為電容半主動結(jié)構(gòu)，反之則稱為電池半主動結(jié)構(gòu)；半主動式結(jié)構(gòu)，尤其是電容半主動結(jié)構(gòu)是目前最常用的HESS拓撲結(jié)構(gòu)。
此外，在上述的各類型受控式HESS拓撲基礎(chǔ)上，有學(xué)者根據(jù)HESS實際應(yīng)用中的工況特點，通過添加受控開關(guān)、調(diào)整連接方式、改用單向DC/DC等方法，以達到依托應(yīng)用場景有針對性地減輕變換器的重量、提高能量利用效率等目的，但其核心功能仍是實現(xiàn)子系統(tǒng)輸入輸出功率的受控分配。
無控式的HESS中不使用DC/DC變換器，LIB子系統(tǒng)和SC子系統(tǒng)都直接與直流總線相連，這類拓撲結(jié)構(gòu)被稱為被動式拓撲，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點。圖2(d)展示了一種常見的被動式HESS拓撲結(jié)構(gòu)，在這種典型被動式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，有少數(shù)學(xué)者根據(jù)應(yīng)用需求在電池支路中串聯(lián)了電感或二極管，以起到降低電流紋波或是控制電流方向的作用。總的來說，各類被動式HESS均不能實現(xiàn)子系統(tǒng)功率的受控分配，各個子系統(tǒng)的功率輸出比例由其各自的內(nèi)阻決定。
HESS能量管理的核心是實現(xiàn)負載需求功率在LIB與SC子系統(tǒng)間科學(xué)合理地分配，而對于HESS拓撲來說，僅受控式拓撲可以實現(xiàn)子系統(tǒng)間的功率受控分配。因此，本文所述的能量管理方法適用于主動式、半主動式等受控式HESS，無控式(被動式)HESS是無法進行能量管理的。各類HESS受控參數(shù)的匯總?cè)绫?所示。
2.2 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)概述
2.2.1 混合儲能能量管理系統(tǒng)功能架構(gòu)
混合儲能EMS是保障HESS經(jīng)濟穩(wěn)定運行、充分發(fā)揮LIB與SC性能優(yōu)勢的關(guān)鍵所在，其主要功能是在對儲能系統(tǒng)溫度、總線及分系統(tǒng)的電壓與電流等信息進行采集、處理與分析的基礎(chǔ)上，以滿足負載的實時功率需求為前提，對各子系統(tǒng)的輸入輸出功率進行決策與控制，以延長HESS壽命、提升電能利用率，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟運行。此外，混合儲能EMS還需具備傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)在測量、評估、均衡與保護等方面的功能。
混合儲能EMS功能架構(gòu)如圖3所示。其中混合儲能EMS主控單元主要有3方面功能：
①通過各類傳感器采集總線、LIB子系統(tǒng)和SC子系統(tǒng)的電壓、電流與溫度數(shù)據(jù)。
②與子系統(tǒng)BMS通信，獲取LIB子系統(tǒng)與SC子系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)、健康狀態(tài)(state of health，SOH)等狀態(tài)信息，并下達管理指令，經(jīng)由子系統(tǒng)BMS完成子系統(tǒng)內(nèi)單體的電壓/電流/溫度數(shù)據(jù)測量、SOC與SOH估計、單體SOC均衡與再分配、熱管理與過壓/過流/過溫保護等BMS功能。
③對于子系統(tǒng)功率輸出可控的HESS，混合儲能EMS主控單元需結(jié)合其接收的傳感器數(shù)據(jù)、子系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息，在滿足負載的實時功率需求的前提下對各子系統(tǒng)的輸入輸出功率進行決策，并將決策得到的功率分配參考值傳達給控制器以實現(xiàn)功率分配控制；對于總線電壓也可控的HESS，EMS主控單元還需對總線電壓進行控制，其過程與前述功率分配控制類似，此處不再贅述。
可以看出，對于子系統(tǒng)功率輸出可控的HESS，其EMS的主要功能是基于必要數(shù)據(jù)的采集，進行功率分配控制，以實現(xiàn)HESS的高效、經(jīng)濟、長壽命運行；測量、評估、均衡與保護等傳統(tǒng)BMS功能由下級子系統(tǒng)BMS完成。當(dāng)子系統(tǒng)功率輸出不可控時，混合儲能EMS的功能架構(gòu)就不再包括功率分配控制部分(即圖3中短劃線框與短劃線箭頭部分)，此時混合儲能EMS實際上相當(dāng)于一個模塊式BMS。由于主題所限，本文不對此類BMS的相關(guān)管理方法進行討論。
2.2.2 混合儲能能量管理系統(tǒng)功率分配控制
混合儲能EMS主控單元依托其上運行的能量管理算法，向底層控制器給出功率分配參考值，而后通過底層控制器對受控式HESS拓撲結(jié)構(gòu)中DC/DC變換器的控制實現(xiàn)子系統(tǒng)間的功率分配。對于半主動式HESS，底層控制只涉及子系統(tǒng)間的功率分配控制；主動式HESS還需控制總線電壓。由于半主動式拓撲的底層控制問題是主動式拓撲底層控制問題的子集，在底層控制方面下文僅以主動式HESS為例進行概述。
圖4展示了主動式HESS功率分配控制的一般流程。其中，HESS能量管理算法在混合儲能EMS主控單元中運行，實時接收負載需求功率和LIB、SC子系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)，作為能量管理算法的輸入?；谇笆鲚斎霐?shù)據(jù)，EMS主控單元依托能量管理算法向底層控制器給出總線電壓參考值以及任一子系統(tǒng)的輸出電流參考值(另一子系統(tǒng)的輸出電流參考值可由控制算法在進行總線電壓控制時計算得出)。而后，底層控制器中的功率分配控制算法以前述參考值和所需反饋數(shù)據(jù)作為輸入，以DC/DC變換器中各個電力電子開關(guān)脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)的占空比為控制量實現(xiàn)HESS功率分配的底層反饋控制。
3 混合儲能系統(tǒng)能量管理方法
HESS能量管理算法以負載需求功率和LIB、SC子系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)為輸入，其主要功能是向底層控制器給出子系統(tǒng)輸出電流參考值(若總線電壓受控，還需給出總線電壓參考值)。混合儲能EMS中搭載的能量管理算法可以通過不同的HESS能量管理方法獲得；不論方法復(fù)雜與否，能量管理算法都應(yīng)具備實時在線應(yīng)用的能力。按照技術(shù)路線的不同，HESS能量管理方法可以分為基于經(jīng)驗、基于優(yōu)化、基于工況模式識別和基于機器學(xué)習(xí)4大類。
3.1 基于經(jīng)驗的能量管理方法
在需求功率一定時， EMS采集所需信息，計算出LIB和SC分系統(tǒng)各自輸出功率的參考值并傳遞給HESS控制單元以實現(xiàn)功率分配。以需求功率大小和LIB、SC的SOC狀態(tài)等作為輸入?yún)?shù)，依托邏輯門限控制方法、模糊邏輯控制方法或是各類濾波方法，從專家經(jīng)驗出發(fā)設(shè)計一種固定的規(guī)則是獲取功率分配參考值最直接的辦法。
其中，基于邏輯門限控制方法的HESS能量管理是通過將各項實時輸入?yún)?shù)與基于專家經(jīng)驗預(yù)先設(shè)定的邏輯門限值進行比較，繼而按照經(jīng)驗規(guī)則分配LIB與SC的輸出功率，是一種簡單、快速、穩(wěn)定的能量管理方式；基于模糊邏輯控制方法的能量管理是依托模糊數(shù)學(xué)的原理，將專家經(jīng)驗映射為一系列能量管理規(guī)則，這種方法借助了隸屬度函數(shù)的概念，能夠很好地處理HESS功率分配中的模糊關(guān)系；基于濾波的能量管理則是從盡量平滑LIB的功率輸出曲線，以減緩LIB老化的經(jīng)驗原則出發(fā)，借助小波變換和自適應(yīng)濾波等方法將需求功率分解為高頻部分和低頻部分，將它們分別分配給SC和LIB。
傳統(tǒng)的邏輯門限控制方法采用固定的邏輯門限值進行功率分配，在需求功率發(fā)生較大變化時其功率分配結(jié)果往往并不合理。為解決這一問題，文獻[90]對傳統(tǒng)的HESS邏輯門限功率分配控制方法進行了改進，在邏輯門限控制框架下采用一種基于專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊邏輯控制器替代了固定的邏輯門限值，改進型邏輯門限控制方法相比于常規(guī)邏輯門限控制方法，在能量分配合理性、LIB峰值輸出電流和能量利用效率方面均有一定的性能提升。文獻[91]則直接應(yīng)用模糊邏輯的方法進行HESS內(nèi)SC和LIB子系統(tǒng)間的功率分配，在設(shè)計了合理的隸屬度函數(shù)對輸入?yún)?shù)進行模糊化后，依托專家經(jīng)驗定義了模糊控制規(guī)則，相比純電池系統(tǒng)大大降低了LIB的峰值輸出電流，達到了延長其使用壽命的目的。文獻[61]對傳統(tǒng)的基于固定截止頻率的低通濾波方法進行改進，提出了一種自適應(yīng)頻率的濾波方法，基于這種方法設(shè)計了一套能量管理規(guī)則，將SC作為低通濾波器使用，通過避免LIB頻繁地充放電來保護LIB。文獻[55]通過基于模糊邏輯控制器的自適應(yīng)低通濾波器實現(xiàn)HESS的能量管理，相比基于固定截止頻率低通濾波的能量管理方法以及純電池系統(tǒng)的能量管理方法，在提高電能利用效率和平滑LIB輸出功率方面有明顯提升。文獻[92]提出了一種自適應(yīng)HESS功率分配方法，該方法通過動態(tài)濾波算法對負載需求功率特性進行識別，根據(jù)功率曲線波動情況給出相應(yīng)的濾波系數(shù)，能夠很好地發(fā)揮LIB和SC各自的特性，延緩LIB的老化。
在前述能量管理方法中，由專家經(jīng)驗出發(fā)，基于邏輯門限方法或是模糊邏輯方法生成的能量管理規(guī)則具有簡單實用、可靠性高、實時性好的優(yōu)點，其中模糊邏輯方法的應(yīng)用避免了固定的邏輯門限值在某些情況下會導(dǎo)致功率分配不合理的問題。從減少LIB的輸出功率波動的經(jīng)驗原則出發(fā)，基于濾波的方法通過將需求功率中的高頻分量分配給SC，能夠達到平滑LIB輸出功率曲線的目的；這類方法也可以與模糊邏輯方法結(jié)合以提高能量管理規(guī)則的靈活性與合理性。
基于經(jīng)驗的能量管理規(guī)則雖然簡單可靠、實用性強，但由于其從專家知識出發(fā)確定規(guī)則，這種規(guī)則的最優(yōu)性難以保證。此外，學(xué)者們在評價通過基于經(jīng)驗的方法得到的能量管理規(guī)則的效能時，一般會從該規(guī)則是否對作為輸入的專家經(jīng)驗進行了正確表達、是否符合常理的角度進行評估，或是選取另一種更簡單的經(jīng)驗規(guī)則進行定性的對比，在方法的效能評估方面缺乏充分的定量分析。
3.2 基于優(yōu)化的能量管理方法
HESS的能量管理本質(zhì)上是尋找一定條件下LIB與SC之間最優(yōu)的功率分配方式，這容易表達為一個單或多目標(biāo)優(yōu)化問題。在功率分配優(yōu)化中，常以最小化HESS能量損耗、最小化HESS購置與運行成本，以及最大化HESS壽命作為優(yōu)化目標(biāo)，以HESS組成器件性能約束和負載功率需求約束等作為約束條件。
按照是否需要在HESS運行中對功率最優(yōu)分配問題實時進行求解，可將基于優(yōu)化的能量管理方法分為2類，分別是基于離線優(yōu)化的能量管理方法和基于模型預(yù)測控制的能量管理方法。
3.2.1 基于離線優(yōu)化的能量管理方法
由于基于經(jīng)驗的能量管理規(guī)則的最優(yōu)性難以保證，研究者們希望基于功率最優(yōu)分配問題的求解結(jié)果設(shè)計HESS的能量管理規(guī)則，以減少對經(jīng)驗的依賴，提升能量管理策略的最優(yōu)性和有效性。因此，不同于基于經(jīng)驗的方法從專家知識出發(fā)確定能量管理規(guī)則，基于離線優(yōu)化的能量管理方法依托歷史工況數(shù)據(jù)進行功率分配問題的優(yōu)化求解，而后基于求解得到的最優(yōu)功率分配方案設(shè)計能量管理規(guī)則?；陔x線優(yōu)化的能量管理框架如圖5所示。
隨著優(yōu)化理論與優(yōu)化算法的不斷發(fā)展，很多方法都可以用來對功率分配進行優(yōu)化，常用于求解此類優(yōu)化問題的方法是動態(tài)規(guī)劃(dynamic programming，DP)[包括確定性動態(tài)規(guī)劃(deterministic dynamic programming，DDP)隨機動態(tài)規(guī)劃(stochastic dynamic programming，SDP)]、龐特里亞金極小值原理(pontryagin minimum principle，PMP)以及粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization，PSO)、遺傳算法(genetic algorithm，GA)等各類智能算法。這些方法計算開銷大，難以作為在線方法在實踐中應(yīng)用，因此在求得功率最優(yōu)分配問題的解集后，一般還要通過邏輯門限法或模糊邏輯法提取能夠在線應(yīng)用的最優(yōu)功率分配規(guī)則，或是將優(yōu)化結(jié)果中的變量離散化，EMS通過查表和插值運算實現(xiàn)在線功率分配。文獻[94]和文獻[95]分別采用DP方法和PMP方法求解HESS功率最優(yōu)分配問題，而后基于求解結(jié)果來評價并改進現(xiàn)有能量管理規(guī)則。文獻[93]在通過DP方法獲得最優(yōu)功率分配控制問題的全局最優(yōu)解后，采用模糊邏輯方法生成能量管理規(guī)則以減少人為因素的影響，但在隸屬度函數(shù)的設(shè)計和去模糊化等過程中仍然依賴設(shè)計者的經(jīng)驗。文獻[62]將譜法和高斯積分法相結(jié)合，提出了一種偽譜方法求解HESS功率最優(yōu)分配問題，在保證解的最優(yōu)性的前提下提高了對功率最優(yōu)分配問題的求解效率，并采用邏輯門限方法從最優(yōu)解中提取能量管理規(guī)則。
基于優(yōu)化的能量管理方法從功率分配優(yōu)化結(jié)果出發(fā)設(shè)計規(guī)則，避免了專家經(jīng)驗可能有疏漏的問題；在能量管理規(guī)則的效能評估方面，從優(yōu)化結(jié)果中通過邏輯門限或者模糊邏輯等方法提取的在線能量管理規(guī)則可以將最優(yōu)功率分配結(jié)果本身的性能作為比較基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)定量而非以往定性的對比分析。對于已知工況，通過DP等精確優(yōu)化算法求得的全局最優(yōu)解不僅可以用于提取在線的能量管理規(guī)則，還可將該全局最優(yōu)解在減少系統(tǒng)電能損耗、減緩LIB退化等方面的性能參數(shù)作為其對應(yīng)工況下能量管理方法效能的上限，與新提出的各類在線能量管理方法進行對比以分析新方法的性能表現(xiàn)。
3.2.2 基于模型預(yù)測控制的能量管理方法
基于離線優(yōu)化的能量管理方法中的功率分配優(yōu)化是依托歷史工況數(shù)據(jù)進行的，在未來工況隨機性較強，與歷史工況存在較大差別時，應(yīng)用此類方法進行能量管理往往性能不佳。為解決這一問題，有學(xué)者嘗試將模型預(yù)測控制(model predictive control, MPC)框架應(yīng)用于HESS的能量管理，通過在MPC框架下開展以負載功率需求為表征參數(shù)的多步預(yù)測，對HESS的功率分配進行實時的優(yōu)化控制。
模型預(yù)測控制又稱滾動時域控制(receding horizon control, RHC)，其當(dāng)前控制動作是在每一個采樣瞬間通過求解一個有限時域開環(huán)最優(yōu)控制問題獲得的；MPC方法以當(dāng)前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)，并且只執(zhí)行解得的最優(yōu)控制序列中的第一個控制動作。對于HESS而言，基于MPC的能量管理框架如圖6所示，其中當(dāng)前值和預(yù)測值序列是指當(dāng)前及預(yù)測區(qū)間內(nèi)LIB與SC的SOC、電壓、電流等參數(shù)，功率分配參考值序列則是求解得到的控制區(qū)間內(nèi)所有功率分配參考值組成的序列；基于MPC的能量管理通常包括以下步驟：
①預(yù)測負載未來一段時間(預(yù)測區(qū)間)的工況特征(例如電動交通工具的速度等)或需求功率，基于預(yù)測結(jié)果運用各種優(yōu)化方法實時求解預(yù)測區(qū)間內(nèi)的功率最優(yōu)分配問題；
②將解得的功率分配參考值序列(控制序列)中的第一個值作為輸出，傳遞給功率分配控制器，執(zhí)行功率分配控制；
③在下一時刻更新當(dāng)前負載需求功率和LIB、SC的狀態(tài)參數(shù)，而后再次執(zhí)行步驟① 。
基于MPC的能量管理的性能優(yōu)劣在很大程度上取決于對未來功率需求的預(yù)測精度。因此，在MPC框架下選擇合適的預(yù)測方法和優(yōu)化算法非常重要。基于MPC的能量管理中對未來工況特征或需求功率進行預(yù)測可采用需求轉(zhuǎn)矩指數(shù)遞減模型、自回歸模型、馬爾科夫鏈(markov chain，MC)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural networks，NN)模型等。其中需求轉(zhuǎn)矩指數(shù)遞減模型和自回歸模型方法計算量小，但精度不高，近年來基于MPC的能量管理系統(tǒng)中常用的預(yù)測方法是基于MC和NN的方法。MC預(yù)測模型可以分為一階MC模型、二階MC模型和高階MC模型，其計算成本和預(yù)測精度是遞增的。在數(shù)據(jù)量較少的情況下，MC模型計算效率高，預(yù)測精度好；但基于大量數(shù)據(jù)進行預(yù)測時MC方法的性能不佳。此時可以考慮基于NN方法進行所需參數(shù)的預(yù)測：文獻[99]采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural networks，DNN)進行預(yù)測，并證明了相比反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，DNN更適合用于參數(shù)預(yù)測；文獻[64]提出了一種基于長短期記憶(long short-term memory，LSTM)速度預(yù)測模塊的MPC方法，并驗證了其在HESS能量管理上的有效性。
MPC框架中控制優(yōu)化問題可以采用PMP算法、DP算法、非線性規(guī)劃算法或二次規(guī)劃算法等優(yōu)化方法進行求解，在實際應(yīng)用中優(yōu)化算法的選擇需要考慮計算復(fù)雜度和問題特點。例如，文獻[57]考慮到基于采用DP求解框架內(nèi)優(yōu)化問題的MPC的實時可行性，將DP運算模塊部署在云端，通過與車載MPC模塊的定時交互實現(xiàn)了在線的能量管理?？傮w而言，基于MPC的HESS能量管理方法能夠在提高能量利用率和混儲系統(tǒng)壽命等方面達到更好的效果，但其計算成本也相對高；在線應(yīng)用時需要平衡好能量管理的精度和實時性，以達到最佳的實際效能。
3.3 基于工況模式識別的能量管理方法
與前述的基于離線優(yōu)化的能量管理方法類似，基于工況模式識別的能量管理方法同樣需要依托歷史工況數(shù)據(jù)進行能量管理策略的設(shè)計。其不同之處在于，基于離線優(yōu)化的方法針對所有已知的歷史工況數(shù)據(jù)求取最優(yōu)功率分配方案，并基于該求解結(jié)果提取功率分配規(guī)則；而基于工況模式識別的方法將歷史工況數(shù)據(jù)劃分為多種不同的工況模式，針對每一種工況模式預(yù)先獲取與之對應(yīng)的最優(yōu)功率分配規(guī)則，而后在HESS運行中識別當(dāng)前工況所屬的工況模式，應(yīng)用對應(yīng)的最優(yōu)功率分配規(guī)則，并通過對當(dāng)前工況的定期重新識別來應(yīng)對實際工況的隨機性?；诠r模式識別的能量管理框架如圖7所示。
以HESS在新能源汽車上的應(yīng)用為例，相關(guān)的能量管理研究常常基于中國公交駕駛循環(huán)(Chinese bus driving cycle，CBDC)或者是新歐洲駕駛循環(huán)(new European driving cycle，NEDC)等標(biāo)準(zhǔn)工況，應(yīng)用3.2.1節(jié)所述DP方法就可以求得在某個標(biāo)準(zhǔn)工況下全局最優(yōu)的功率分配規(guī)則。最初的基于工況模式識別的能量管理方法直接將現(xiàn)有的各類標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況作為不同的工況模式。這種工況模式劃分的方式過于粗糙，實際駕駛工況往往很難與各類標(biāo)準(zhǔn)工況具有足夠的相似程度，因而將標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況直接作為工況模式的能量管理方法在實際應(yīng)用中效果不佳。針對這一問題，學(xué)者們考慮將標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況劃分成多段“微循環(huán)”工況，并基于這些“微循環(huán)”獲取最優(yōu)功率分配規(guī)則，以兩個相鄰的微循環(huán)會具有類似的工況特征這一假設(shè)為前提，通過實時的“微循環(huán)”模式識別將適宜的功率分配規(guī)則應(yīng)用到在線的能量管理中。
“微循環(huán)”可以以標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況中功率需求為0的點作為分隔點，也可以直接按時間長度(例如每60 s或每100 s)進行劃分，抑或是設(shè)定一個“微循環(huán)”最大持續(xù)時長，待劃分的“微循環(huán)”低于最大持續(xù)時長時以標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況中功率需求為0的點作為分隔點，而待劃分的“微循環(huán)”超過最大持續(xù)時長時以最大持續(xù)時長強制劃分“微循環(huán)”。在“微循環(huán)”劃分完畢后，文獻[65]將工況模式識別框架與基于優(yōu)化的方法相結(jié)合，通過DP得到已劃分的駕駛“微循環(huán)”工況的最優(yōu)控制規(guī)則，而后以該“微循環(huán)”工況中平均行駛速度和最高行駛速度為輸入，通過模糊邏輯方法將實時工況與預(yù)先劃分的“微循環(huán)”進行匹配，并應(yīng)用對應(yīng)的最優(yōu)能量管理規(guī)則。文獻[12]對前述方法進行了改進，以工況的能量需求和最大功率需求作為模糊邏輯模式識別的輸入，將實時工況與“微循環(huán)”進行匹配，而后應(yīng)用對應(yīng)的能量管理規(guī)則；該規(guī)則同樣是基于已劃分的“微循環(huán)”工況數(shù)據(jù)，預(yù)先采用DP進行優(yōu)化計算得到的。文獻[102]同樣利用模糊邏輯方法實時識別工況模式，不同之處在于其利用粒子群算法對“微循環(huán)”工況下優(yōu)化HESS功率分配進行優(yōu)化。文獻[11]以駕駛工況中的實時速度和功率需求進行工況模式識別，通過NN擬合最優(yōu)功率分配曲線參數(shù)的方法得到各個“微循環(huán)”對應(yīng)的能量管理規(guī)則。文獻[60]則是在工況模式識別框架下，采用自適應(yīng)小波變換方法進行功率分配，基于“微循環(huán)”識別結(jié)果動態(tài)調(diào)整小波變換的分解級別，并結(jié)合模糊邏輯控制將SC的SOC保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
基于工況模式識別的能量管理方法大多數(shù)會結(jié)合基于優(yōu)化的方法得到某個特定循環(huán)工況下的最優(yōu)能量管理規(guī)則，因此基于工況模式識別的能量管理方法在實際應(yīng)用中的性能很大程度上取決于識別精度。近年來經(jīng)過研究人員的不斷改進，總體上工況模式識別方法能夠以較低的計算成本實現(xiàn)較好的能量管理效能。但是由于模式識別模塊通常根據(jù)歷史信息識別當(dāng)前工況模式，并假設(shè)當(dāng)前工況特征不會突然發(fā)生變化，因此無法完全避免誤識別，在某些情況下可能無法做到最優(yōu)的功率分配。
3.4 基于機器學(xué)習(xí)的能量管理方法
機器學(xué)習(xí)方法是系統(tǒng)控制領(lǐng)域的一個重要的未來發(fā)展方向。近年來，以NN方法和強化學(xué)習(xí)(reinforcement learning，RL)方法為代表的機器學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，在機器人控制、自然語言識別和自動駕駛等許多方面得到了應(yīng)用?？紤]到機器學(xué)習(xí)方法廣泛的適用性，在處理復(fù)雜非線性問題上有著優(yōu)異性能，且訓(xùn)練完成后具備很好的實時性，許多學(xué)者已經(jīng)嘗試將其應(yīng)用在HESS能量管理領(lǐng)域。
NN是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，特別是大腦)的結(jié)構(gòu)和功能的數(shù)學(xué)模型，可以模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對真實世界物體所做出的交互反應(yīng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。在應(yīng)用時，NN需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對其進行訓(xùn)練，這種訓(xùn)練本質(zhì)上是一種歸納學(xué)習(xí)。在對大量訓(xùn)練實例的重復(fù)學(xué)習(xí)過程中，NN模型內(nèi)部的自適應(yīng)算法不斷修改神經(jīng)元間連接的權(quán)值，并使權(quán)值分布逐漸收斂到一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。
RL則不僅能利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還可以通過與環(huán)境不斷地交互獲得反饋(獎勵)，并利用反饋的新數(shù)據(jù)循環(huán)往復(fù)地更新迭代現(xiàn)有模型，以獲得全局最優(yōu)的行為策略，如圖9所示。對于未知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的系統(tǒng)，RL可以通過觀察和分析系統(tǒng)的行為來對其進行控制，并通過逐步學(xué)習(xí)或試錯來做出最優(yōu)決策。
文獻[105]通過使用DP算法得到的HESS功率分配數(shù)據(jù)訓(xùn)練基于NN的HESS控制器，并實現(xiàn)了優(yōu)化數(shù)據(jù)的實時應(yīng)用和實時驗證。文獻[107]將PI(proportional integral，比例積分)控制器的規(guī)則替換為通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的NN，使HESS能量利用效率提高了3.3%。文獻[108]設(shè)計了基于NN的功率分配控制器，實現(xiàn)了比PI控制器更低的誤差和更高的穩(wěn)定性，能夠有效提高HESS效率，延長其使用壽命。文獻[109]采用基于小波變換得到的數(shù)據(jù)集對NN進行離線訓(xùn)練，基于訓(xùn)練完成的NN將負載功率需求中的高頻分量分配給SC。文獻[110]提出了一種基于NN的低電壓直流微電網(wǎng)HESS控制策略，能夠快速跟蹤功率需求中的高頻分量，維持電池與SC的SOC在預(yù)設(shè)范圍并穩(wěn)定總線電壓。文獻[111]對這種基于NN的低電壓直流微電網(wǎng)HESS控制策略進行了改進，采用蝙蝠搜索算法離線求解控制器的反饋增益，并基于求解得到的控制信號數(shù)據(jù)集訓(xùn)練用于在線應(yīng)用的NN，以實現(xiàn)反饋增益的在線快速計算。為改善HESS功率分配的暫態(tài)性能，文獻[112]采用NN進行系統(tǒng)控制，取得了明顯效果。對基于NN的混合儲能系統(tǒng)EMS而言，訓(xùn)練集的數(shù)量和質(zhì)量以及所建立的NN模型的適用性對最終的能量管理性能有直接影響，在建立和訓(xùn)練NN時需要對這些因素進行綜合考慮。
文獻[113]將RL應(yīng)用于HESS的實時能量管理，通過對比基于RL方法和基于DP方法得到的仿真結(jié)果，驗證了RL方法在HESS能量管理上的有效性。文獻[68]基于考慮遺忘因素的RL方法，在HESS 能量管理中同時考慮了LIB壽命和溫度變化對功率分配的影響，實驗表明基于RL的方法相比基于規(guī)則的控制策略能減少16.8%的能量損耗。文獻[114]在將深度學(xué)習(xí)(deep learning，DL)和RL結(jié)合的深度強化學(xué)習(xí)(deep reinforcement learning，DRL)框架下，將柔性制動/評價(soft actor-critic，SAC)算法應(yīng)用于HESS的能量管理，采用提取自基于DP的全局最優(yōu)能量管理方案的知識來提高基于SAC的混合儲能系統(tǒng)EMS性能，最終使該EMS與基于DP的全局最優(yōu)EMS的性能差距縮小至5.19%。文獻[115] 基于多智能體DRL方法，將HESS能量管理與風(fēng)力機轉(zhuǎn)子動能和槳距控制相結(jié)合，提出了一種風(fēng)力發(fā)電機與HESS的協(xié)同控制策略；仿真實驗表明，該策略可以平滑風(fēng)力發(fā)電輸出功率，延長儲能元件使用壽命，減輕風(fēng)力發(fā)電機的磨損?；赗L或是DRL的混合儲能系統(tǒng)EMS現(xiàn)階段仍然存在參數(shù)調(diào)優(yōu)困難、訓(xùn)練時間冗長等問題，在應(yīng)用RL、DRL方法進行HESS能量管理時，需要重點關(guān)注方法的收斂速度、最優(yōu)性和實時性。
此外，機器學(xué)習(xí)方法也常作為一種有效的參數(shù)擬合與預(yù)測方法應(yīng)用在基于經(jīng)驗、基于工況模式識別等其他類型的HESS能量管理方法框架中。在這些應(yīng)用中，NN并不用于直接輸出HESS功率分配的參考值，因此本文不將這些應(yīng)用方式歸類為基于機器學(xué)習(xí)的能量管理方法。
在減少HESS電能損耗、延長HESS使用壽命以及提升HESS運行經(jīng)濟性等方面，基于機器學(xué)習(xí)的HESS能量管理方法能夠達到與DP得到的最優(yōu)能量管理規(guī)則相近的性能表現(xiàn)；相比于前述的基于工況模式識別或基于優(yōu)化的方法，基于機器學(xué)習(xí)的方法具有更好的實時性和魯棒性。然而，為保證能量管理效能，基于機器學(xué)習(xí)的HESS能量管理方法在學(xué)習(xí)中往往需要很長的訓(xùn)練時間和大量高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這在一定程度上限制了此類方法的應(yīng)用。
3.5 混合儲能系統(tǒng)能量管理方法總結(jié)
基于經(jīng)驗、基于優(yōu)化、基于工況模式識別和基于機器學(xué)習(xí)的4大類能量管理方法可以認為是各自代表了一個階段的HESS能量管理主流方法，在研究深度方面大致符合逐漸深入、層層遞進的關(guān)系，但4類方法均在某些方面仍具有不可替代的優(yōu)勢，同時也存在各自無法避免的劣勢。這里首先將HESS需應(yīng)對的負載工況分為未來工況可通過歷史工況數(shù)據(jù)獲知的規(guī)律性工況，以及未來工況呈現(xiàn)隨機波動特性、無法通過歷史工況數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲知的隨機性工況2大類，則各類能量管理方法的性能特點匯總見表3。
在表3中，各類能量管理方法的性能特點通過其在規(guī)律性與隨機性負載工況下的管理效能、魯棒性、離線計算復(fù)雜度與在線計算復(fù)雜度5個方面來評價，對管理效能和魯棒性的評價從優(yōu)至劣分為良好、較好、中等、較差4個等級，對計算復(fù)雜度的評價從低復(fù)雜度到高復(fù)雜度分為很低、較低、中等、較高、很高5個等級。其中，管理效能代表能量管理方法在提升系統(tǒng)電能利用效率、延長系統(tǒng)整體壽命方面的性能表現(xiàn)；魯棒性是按照能量管理方法在應(yīng)對突然發(fā)生的異常工況時，其管理效能是否足夠穩(wěn)定進行評價；離線與在線計算復(fù)雜度則是分別對能量管理方法在離線計算和在線實時計算的計算開銷進行評價。
HESS能量管理的相關(guān)研究一直致力于實現(xiàn)在負載工況隨機性強、波動大的情況下仍具有良好的管理效能，且具備較好的魯棒性。從基于經(jīng)驗、基于優(yōu)化直到基于工況模式識別和基于機器學(xué)習(xí)的各類方法，在應(yīng)對隨機性工況時，其相對其他方法在管理效能與魯棒性方面的提升往往是以增大離線或在線計算復(fù)雜度為代價的。而對于規(guī)律性工況，最簡單的基于經(jīng)驗以及基于離線優(yōu)化的能量管理方法已經(jīng)能夠有效延長HESS的整體壽命；特別是基于離線優(yōu)化的方法，因其依托負載需求功率最優(yōu)分配問題的全局最優(yōu)解獲取能量管理規(guī)則，在應(yīng)對規(guī)律性負載工況時能夠達到比基于模型預(yù)測控制、基于工況模式識別以及基于機器學(xué)習(xí)等有著更高的離線或在線計算復(fù)雜度、方法流程也更加復(fù)雜的能量管理方法更好的能量管理效能。因此，對于面向規(guī)律性工況的HESS，采用基于離線優(yōu)化的方法就可以達到良好的能量管理效能，一般情況下不必采用更復(fù)雜的方法；對于面向隨機性工況的HESS，其能量管理方法的選擇需要綜合權(quán)衡管理效能、魯棒性和計算復(fù)雜度各方面的實際應(yīng)用需求，以及HESS負載工況的隨機波動程度。
4 混合儲能系統(tǒng)能量管理未來研究展望
針對面向隨機性負載，特別是面向以電動汽車為代表的強隨機性負載的HESS，開發(fā)一種管理效能好、魯棒性強、計算復(fù)雜度盡量低的能量管理方法，是目前也將是未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)HESS研究的主要目標(biāo)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，現(xiàn)階段仍有以下3方面問題亟待解決。
第一，提高對隨機性負載未來工況的預(yù)測精度。對隨機性負載而言，其未來工況的不確定性越小，就越有可能以較低的計算成本達到更高的管理效能和魯棒性。通過采集更加全面的負載工況相關(guān)數(shù)據(jù)、引入先進的預(yù)測模型與算法，以及在預(yù)測中進一步考慮負載操作人員的不同操作風(fēng)格，就可以對HESS需要應(yīng)對的負載未來工況進行更加精準(zhǔn)的預(yù)測，盡可能降低負載未來工況的不確定性，進而提升HESS能量管理效能與魯棒性。那么，如何將有效的預(yù)測模型與現(xiàn)有能量管理方法有機結(jié)合，以達到在計算復(fù)雜度滿足實用要求的前提下，提升HESS能量管理效能與魯棒性的目標(biāo)，是目前亟須解決的問題。
第二，建立更加精準(zhǔn)的HESS模型。對于基于優(yōu)化、基于工況模式識別等需要依托HESS動態(tài)響應(yīng)模型與老化模型的能量管理方法，其所依托的模型精度將直接影響最終的能量管理實際效能。目前，相關(guān)的能量管理方法在所依托的HESS模型方面存在著模型選擇偏于簡單、未能緊密貼合HESS實際工況的問題，往往難以在低溫或是大倍率放電等特殊工況條件下準(zhǔn)確反映HESS的電壓電流響應(yīng)情況與老化情況。因此，如何充分考慮HESS實際工況與運行環(huán)境，對作為能量管理方法研究基礎(chǔ)的HESS模型進行精準(zhǔn)地建模，是目前亟須解決的問題。
第三，通過云端協(xié)同進一步提升能量管理方法的實時性。HESS運行中需要實時進行功率分配控制，這對能量管理方法在線應(yīng)用時的實時性提出了很高的要求。在現(xiàn)有研究中，基于模型預(yù)測控制、基于工況模式識別等具有較高在線計算復(fù)雜度的能量管理方法在實際使用中往往很難具備足夠的實時性；不能及時向控制器給出功率分配參考值，或是能量管理策略不能及時更新直接將影響這些能量管理方法的管理效能與魯棒性。目前，已有學(xué)者對將基于模型預(yù)測控制或基于機器學(xué)習(xí)的能量管理方法與云計算相結(jié)合進行了初步探索，但現(xiàn)階段在通過云端協(xié)同進一步提升能量管理方法的實時性，進而提升其管理效能與魯棒性方面仍有較大的探索空間。
此外，現(xiàn)有的HESS能量管理相關(guān)研究大多數(shù)針對的是電動汽車HESS，少部分針對輕軌、船舶等其他交通工具的混儲電源，以及電網(wǎng)儲能等其他應(yīng)用場景下的HESS。在電動汽車HESS能量管理方面的先進成果不斷涌現(xiàn)之時，針對面向其他類型的負載工況與運行環(huán)境條件而設(shè)計的HESS的能量管理方法研究還需要進一步推向深入。
5 結(jié) 論
本文首先簡要介紹了LIB/SC混合儲能系統(tǒng)的受控式與無控式2大類拓撲結(jié)構(gòu)，分析了主動式、半主動式與被動式3類拓撲的連接方式與主要特點，并對LIB/SC混合儲能系統(tǒng)EMS的功能架構(gòu)和功率分配控制流程進行了概述；而后著重介紹了基于經(jīng)驗、基于優(yōu)化、基于工況模式識別和基于機器學(xué)習(xí)的4大類LIB/SC混合儲能系統(tǒng)能量管理方法，對各類能量管理方法的具體流程與性能特點進行了分類詳述與對比分析；最后總結(jié)了現(xiàn)有能量管理方法在管理效能、魯棒性以及計算復(fù)雜度方面的性能特點，并對LIB/SC混合儲能系統(tǒng)能量管理方法未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。
