車用混合儲能系統(tǒng)的能量控制策略研究

胡克容　葉平雄

摘 要：針對混合動力汽車，運用鋰電池、超級電容性能特點組成混合儲能系統(tǒng)（hybrid energy storage system，HESS）優(yōu)化調節(jié)過程，提出基于混合儲能裝置性能的能量協(xié)調、互補控制策略。在Matlab/simulink軟件中搭建系統(tǒng)模型，驗證了控制策略的正確性和穩(wěn)定性。關鍵字：混合動力汽車;鋰電池;超級電容;混合儲能，控制策略中圖分類號：U462.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-135-03

Abstract：?According to the performance characteristics of lithium battery and super capacitor， the hybrid energy storage system （HESS） IS?used to optimize the regulation process， and the energy coordination and complementary control strategy based on the performance of hybrid energy storage device is proposed. The system model is built in Matlab/Simulink software to verify the correctness and stability of the control strategy.Keywords：?Hybrid Vehicle;?Lithium Battery;?Super Capacitor;?Hybrid Energy Storage;?Control StrategyCLC NO.： U462.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-135-03

前言

為應對日益短缺的能源儲量與節(jié)能環(huán)保的汽車發(fā)展要求，進一步發(fā)展混合電動汽車越來越受到人們重視[1，2]。但是，蓄電池儲能受到限制，且汽車負載變化頻繁，因此需設計合理的能量調節(jié)裝置和控制策略實現(xiàn)功率分配和電能的穩(wěn)定性優(yōu)化。單一的蓄電池功率密度小，無法快速相應汽車的能量變化，采用超級電容與蓄電池協(xié)調控制，很好的解決了這一難題[3-5]。

針對汽車運行的特點，考慮鋰電池-超級電容混合儲能系統(tǒng)的運行優(yōu)勢，提出基于儲能裝置特性的協(xié)調控制策略，以增電動汽車的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)分析

1.1?鋰電池儲能單元

鋰電池是一種可充電的電池，正極由鋰化物材料組成，負極由人造石墨或者天然石墨等組成，依靠Li+離子的嵌入和脫嵌實現(xiàn)充放電[6]。單一鋰電池在電動汽車系統(tǒng)中有一定的研究，鋰電池因其性能特點，可持續(xù)為汽車行駛提供動力，但能量儲存有限，調節(jié)方式單一。

1.2?超級電容儲能單元

超級電容通過極化相應的電解質進行儲能，兩電極材料多為活性炭材料，能夠增大表面積，中間為多孔活性炭薄膜，介質一般為高介電常數(shù)的水或者有機電解液，因此超級電容清潔且功率密度大[7，8]。

2 混合儲能系統(tǒng)能量管理策略與數(shù)學模型

根據(jù)儲能設備的技術特性，利用基于功率波動性質的高/低通濾波進行系統(tǒng)的功率指令PHESS初次分配。

從上式可知，隨著充放電過程的加深，儲能裝置SOC值會向極限值靠近，功率也會隨之減少。當充電功率減小到零時，儲能設備將停止充電，

由于儲能裝置的最大功率由其性能決定，因此需進行功率保護。設鋰電池的最大充/放電功率分別為Pc_b_max和Pd_b_?max，超級電容最大充/放電功率分別為Pc_sc_max和Pd_sc_max，以儲能裝置的充放電禁止線和Pe的大小為限制進行控制，最大功率限制策略流程分別如圖1和圖2所示。

3 仿真試驗與結果分析

在Matlab/Simulink中搭建混合儲能系統(tǒng)的控制模型，為了驗證儲能系統(tǒng)控制策略是能夠完成預期目標，仿真中選用波動功率模塊為混合儲能系統(tǒng)所需平抑的總波動功率PHESS進行仿真分析，并規(guī)定正數(shù)值代表儲能裝置放電，反之則為充電，主要技術參數(shù)如表3所示。在系統(tǒng)中設置低通濾波時間常數(shù)的初始值為ts=30，Δt=10，荷電狀態(tài)初始值均設為0.5，系統(tǒng)總仿真時間為1000s。

在混合儲能系統(tǒng)運行中，另設置一組仿真實驗（方案1）進行對比分析。方案1的控制策略中，采用恒定的濾波時間常數(shù);方案2則為提出的能量管理與控制策略。運行仿真模型，得到不同方案下儲能系統(tǒng)的實際補償情況，如圖3所示。

圖3中，黑色曲線為系統(tǒng)需要平抑的總波動功率，即PHESS;紅色曲線為混合儲能系統(tǒng)的實際充放電功率曲線，即Pb+Psc。對比可知，方案2可更好地完成混合儲能系統(tǒng)功率補償，這主要是因為傳統(tǒng)控制策略未考慮兩儲能裝置間的能量缺失。為進一步驗證提出的控制策略的安全性能，在方案2下仿真得到儲能裝置的實時功率曲線和SOC值變化曲線，分別如圖4和圖5所示。

圖4中，藍色曲線PHESS、紅色曲線Pb、黑色曲線Psc分別表示系統(tǒng)需要平抑的總波動功率、鋰電池的功率、超級電容的功率。圖5中，紅色曲線為鋰電池的SOC值，即SOCb;黑色曲線為超級電容的實時SOC值，即SOCsc。由圖可知，儲能裝置根據(jù)系統(tǒng)需求始終在安全的范圍內工作，超級電容SOC實際變化范圍為0.4～0.5，鋰電池SOC實際變化范圍為0.45～0.5;鋰電池SOC變化平緩而超級電容波動較大，這滿足儲能裝置各自的能量、功率特性。因此，提出的能量管理控制策略在跟蹤系統(tǒng)功率波動及安全性方面具有正確性和有效性。

4 總結

分析了鋰電池、超級電容的特點，采用鋰電池、超級電容進行聯(lián)合調控，提出了混合動力汽車的能量控制策略，利用MATLAB建模仿真驗證。研究表明：

（1）將鋰電池、超級電容運用到混合動力汽車上，可提高汽車的節(jié)能環(huán)保指標。

（2）提出的控制策略能夠使鋰電池、超級電容工作在安全范圍內，其中超級電容SOC實際變化范圍為0.4～0.5，鋰電池SOC實際變化范圍為0.45～0.5，提高了儲能裝置的壽命。

（3）鋰電池SOC變化平緩而超級電容波動范圍大，這滿足儲能裝置各自的能量、功率特性，進一步提高了混合動力汽車汽車行駛的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻

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