車用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量控制策略研究

胡克容　葉平雄

摘 要：針對(duì)混合動(dòng)力汽車，運(yùn)用鋰電池、超級(jí)電容性能特點(diǎn)組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（hybrid energy storage system，HESS）優(yōu)化調(diào)節(jié)過程，提出基于混合儲(chǔ)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(yàn)證了控制策略的正確性和穩(wěn)定性。關(guān)鍵字：混合動(dòng)力汽車;鋰電池;超級(jí)電容;混合儲(chǔ)能，控制策略中圖分類號(hào)：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(yīng)對(duì)日益短缺的能源儲(chǔ)量與節(jié)能環(huán)保的汽車發(fā)展要求，進(jìn)一步發(fā)展混合電動(dòng)汽車越來越受到人們重視[1，2]。但是，蓄電池儲(chǔ)能受到限制，且汽車負(fù)載變化頻繁，因此需設(shè)計(jì)合理的能量調(diào)節(jié)裝置和控制策略實(shí)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(yīng)汽車的能量變化，采用超級(jí)電容與蓄電池協(xié)調(diào)控制，很好的解決了這一難題[3-5]。

針對(duì)汽車運(yùn)行的特點(diǎn)，考慮鋰電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，提出基于儲(chǔ)能裝置特性的協(xié)調(diào)控制策略，以增電動(dòng)汽車的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)分析

1.1?鋰電池儲(chǔ)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(fù)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(shí)現(xiàn)充放電[6]。單一鋰電池在電動(dòng)汽車系統(tǒng)中有一定的研究，鋰電池因其性能特點(diǎn)，可持續(xù)為汽車行駛提供動(dòng)力，但能量?jī)?chǔ)存有限，調(diào)節(jié)方式單一。

1.2?超級(jí)電容儲(chǔ)能單元

超級(jí)電容通過極化相應(yīng)的電解質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)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(zhì)一般為高介電常數(shù)的水或者有機(jī)電解液，因此超級(jí)電容清潔且功率密度大[7，8]。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略與數(shù)學(xué)模型

根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)特性，利用基于功率波動(dòng)性質(zhì)的高/低通濾波進(jìn)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(chǔ)能裝置SOC值會(huì)向極限值靠近，功率也會(huì)隨之減少。當(dāng)充電功率減小到零時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備將停止充電，

由于儲(chǔ)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Pc_b_max和Pd_b_?max，超級(jí)電容最大充/放電功率分別為Pc_sc_max和Pd_sc_max，以儲(chǔ)能裝置的充放電禁止線和Pe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。

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

在Matlab/Simulink中搭建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制模型，為了驗(yàn)證儲(chǔ)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(dòng)功率模塊為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)所需平抑的總波動(dòng)功率PHESS進(jìn)行仿真分析，并規(guī)定正數(shù)值代表儲(chǔ)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(shí)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(shí)間為1000s。

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行中，另設(shè)置一組仿真實(shí)驗(yàn)（方案1）進(jìn)行對(duì)比分析。方案1的控制策略中，采用恒定的濾波時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)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(dòng)功率，即PHESS;紅色曲線為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際充放電功率曲線，即Pb+Psc。對(duì)比可知，方案2可更好地完成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率補(bǔ)償，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)控制策略未考慮兩儲(chǔ)能裝置間的能量缺失。為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的控制策略的安全性能，在方案2下仿真得到儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)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(dòng)功率、鋰電池的功率、超級(jí)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(jí)電容的實(shí)時(shí)SOC值，即SOCsc。由圖可知，儲(chǔ)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(jí)電容SOC實(shí)際變化范圍為0.4～0.5，鋰電池SOC實(shí)際變化范圍為0.45～0.5;鋰電池SOC變化平緩而超級(jí)電容波動(dòng)較大，這滿足儲(chǔ)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(dòng)及安全性方面具有正確性和有效性。

4 總結(jié)

分析了鋰電池、超級(jí)電容的特點(diǎn)，采用鋰電池、超級(jí)電容進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，提出了混合動(dòng)力汽車的能量控制策略，利用MATLAB建模仿真驗(yàn)證。研究表明：

（1）將鋰電池、超級(jí)電容運(yùn)用到混合動(dòng)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(jí)電容工作在安全范圍內(nèi)，其中超級(jí)電容SOC實(shí)際變化范圍為0.4～0.5，鋰電池SOC實(shí)際變化范圍為0.45～0.5，提高了儲(chǔ)能裝置的壽命。

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

參考文獻(xiàn)

[1] 崔勝民.新能源汽車技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[2] 梁濤，蘇敏敏，王小霞.中國(guó)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.

[3] 丁冬，劉宗歧，楊水麗，等.基于模糊控制的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助 AGC調(diào)頻方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（08）：81-87.

[4] 何仁，俞劍波，王潤(rùn)才.電動(dòng)汽車混合制動(dòng)系統(tǒng)控制策略的改進(jìn).江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） ，2013; 34（ 2）：125-130.

[5] 王言子.車用復(fù)合儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)與功率分配策略研究[D].2016.

[6] 其魯.電動(dòng)汽車用鋰離子二次電池[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[7] Dean Rotenberg， Ardalan Vahidi， Ilya Kolmanovsky. Ultracapacitor assisted powertrains： modeling， control， sizing， and the impact on fuel economy [J]. IEEE transactions on control system technology， 2011， 19（3）： 576-589.

[8] 劉春娜.超級(jí)電容器應(yīng)用展望[J].電源技術(shù)，2010，34（9）：979-980.