車用混合儲能系統(tǒng)的能量控制策略研究

洪繼超

摘要：針對混合動力汽車，運(yùn)用鋰電池、超級電容性能特點(diǎn)組成混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)過程，提出基于混合儲能裝置性能的能量協(xié)調(diào)、互補(bǔ)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(guān)鍵字：混合動力汽車;鋰電池;超級電容;混合儲能，控制策略

引言

新型混合儲能技術(shù)是利用“化學(xué)儲能+物理儲能”的兩次能量轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)功率的急劇增大，從而降低系統(tǒng)對電網(wǎng)的瞬時功率需求。其基本原理是電網(wǎng)先將能量傳遞給蓄電池儲存起來，再將蓄電池的能量在較短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到脈沖電容器

上，由脈沖電容器快速對負(fù)載放電，從而實現(xiàn)功率的放大。

蓄電池在使用時，放電策略將對電池性能產(chǎn)生極大影響，過放、持續(xù)超高倍率放電都會直接縮短蓄電池壽命，影響蓄電池可靠性和安全性?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的電池組采用時序串聯(lián)方式，因此某一組的提前失效將直接影響整個系統(tǒng)。另外，由于每次發(fā)射各組蓄電池的放電時間長短不同，單次發(fā)射完成后每組電池的剩余容量會不相同，因而為保證蓄電池的壽命，在保證循環(huán)發(fā)射速度的前提下，需采取一定的控制策略來保證各組蓄電池均衡放電。以恰當(dāng)?shù)臅r序觸發(fā)電池組放電可以使電流實現(xiàn)近似恒流。如果觸發(fā)時序不準(zhǔn)確，則會引起電流誤差。這種時序串聯(lián)恒流充電方式電流峰值完全由第一組蓄電池放電電流決定，而第一組蓄電池放電電流又由實際電路參數(shù)決定。一般實際電路參數(shù)與理論設(shè)計存在誤差，會導(dǎo)致實際蓄電池放電電流峰值與設(shè)計值之間存在誤差，這意味著蓄電池對脈沖電容器的充電可能無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成，影響整個艦載電磁發(fā)射裝置系統(tǒng)的功能。

一、混合儲能系統(tǒng)能量管理策略與數(shù)學(xué)模型

根據(jù)儲能設(shè)備的技術(shù)特性，利用基于功率波動性質(zhì)的高/低通濾波進(jìn)行系統(tǒng)的功率指令P HESS初次分配。

由于兩儲能裝置間存在中能量的相互轉(zhuǎn)移，對混合儲能系統(tǒng)來說并無意義，需要減小這部分的功率轉(zhuǎn)移，調(diào)整方式如表1所示。

設(shè)濾波時間常數(shù)t s調(diào)整后，鋰電池、超級電容的功率指令分別表示為P b_2、P sc_2，Δt為t s調(diào)整值，則：

通過濾波時間常數(shù)的調(diào)整，不但可以確?；旌蟽δ芟到y(tǒng)補(bǔ)償總功率指令的準(zhǔn)確性，還可以減少鋰電池能量吸收、釋放的次數(shù)，以增強(qiáng)鋰電池工作耐性。根據(jù)根據(jù)鋰電池和超級電容的工作特性，將其荷電狀態(tài)劃分為五個區(qū)域，并設(shè)置相應(yīng)的SOC報警閾值，詳細(xì)劃分如表2所示。

當(dāng)鋰電池或超級電容處于深度放電狀態(tài)時，需要對其放電功率進(jìn)行調(diào)整，以防止其進(jìn)入禁止放電區(qū)，具有功率調(diào)整策略如下：

同理，在充電過程中，為防止鋰電池或超級電容的SOC值接近上限而進(jìn)入禁止充電區(qū)，需要對其充電功率進(jìn)行調(diào)整，具有功率調(diào)整策略如下：

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(dāng)充電功率減小到零時，儲能設(shè)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(jìn)行功率保護(hù)。設(shè)鋰電池的最大充/放電功率分別為P c_b_max和P d_b_max，超級電容最大充/放電功率分別為P c_sc_max和P d_sc_max，以儲能裝置的充放電禁止線和P e的大小為限制進(jìn)行控制，最大功率限制策略流程分別如圖1和圖2所示。

二、改進(jìn)型控制策略

1.傳統(tǒng)閱值控制與撼波分配法存在的問題

1.1傳統(tǒng)閡值控制

應(yīng)用于城軌交通的儲能系統(tǒng)通常采用電壓閡值控制，在城軌交通供電系統(tǒng)中，列車由牽引變電站供電，圖3-22所示為列車在牽引和制動過程中牽引變電站、混合儲能系統(tǒng)以及列車電流之間的關(guān)系示意圖，當(dāng)列車加速使得母線電壓低于放電閡值時，閡值控制通過控制儲能元件放電使母線電壓維持在放電閉值，此時存在

式中，Ir為牽引變電站輸出電流;幾為混合儲能系統(tǒng)輸出電流;斤為列車牽引所需電流。當(dāng)列車采用電氣制動產(chǎn)生回饋能量時，閡值控制通過控制儲能元件充電使得母線電壓維持在充電閡值，此時存在

三、仿真試驗與結(jié)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(yù)期目標(biāo)，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(jìn)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(shù)參數(shù)如表3所示。在系統(tǒng)中設(shè)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(shè)為0.5，系統(tǒng)總仿真時間為1000s。

表3儲能裝置的主要技術(shù)參數(shù)在混合儲能系統(tǒng)運(yùn)行中，另設(shè)置一組仿真實驗（方案1）進(jìn)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(yùn)行仿真模型，得到不同方案下儲能系統(tǒng)的實際補(bǔ)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P HESS;紅色曲線為混合儲能系統(tǒng)的實際充放電功率曲線，即P b+P sc。對比可知，方案2可更好地完成混合儲能系統(tǒng)功率補(bǔ)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(jìn)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(lán)色曲線P HESS、紅色曲線P b、黑色曲線P sc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SOC b;黑色曲線為超級電容的實時SOC值，即SOC sc。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(nèi)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。

結(jié)束語：分析了鋰電池、超級電容的特點(diǎn)，采用鋰電池、超級電容進(jìn)行聯(lián)合調(diào)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(yùn)用到混合動力汽車上，可提高汽車的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)。

（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(nèi)，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁濤，蘇敏敏，王小霞.中國汽車技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展需求與未來方向[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，278（02）：164-165.

[2]王言子.車用復(fù)合儲能裝置的設(shè)計與功率分配策略研究[D].2019.

[3]崔勝民.新能源汽車技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2019.