KLQ6856 車型鋰電池/ 超級(jí)電容復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)充放優(yōu)化與自適應(yīng)控制策略

趙超培

（江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州）

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的銷售和使用是目前空氣污染和能源消耗等環(huán)境問(wèn)題的主要原因之一[1]，因此，應(yīng)推廣新能源使用方面的政策，加快新能源汽車研發(fā)進(jìn)程[2]。新能源汽車飛速發(fā)展得益于電池儲(chǔ)能技術(shù)不斷提高，從而滿足續(xù)航里程這一必要條件。目前電動(dòng)汽車的能源是電池組來(lái)提供的[3]。用于電動(dòng)汽車上的電池是鋰電池，這種電池由于其具有重量較輕、能量密度高、功率大、自放電緩慢等特點(diǎn)[4-5]，逐步代替了傳統(tǒng)鉛酸電池成了電動(dòng)汽車的主要儲(chǔ)能元件。但是，鋰電池工作始終處于頻繁大功率放電的狀態(tài)，會(huì)遭受不可逆轉(zhuǎn)的容量損耗以及壽命減少，從而使得鋰電池組難以有效發(fā)揮其潛能[6]。為有效解決上述問(wèn)題，提出了超級(jí)電容與動(dòng)力電池構(gòu)成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置[7]。付菊霞等人[8-9]研究了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電功率波動(dòng)和補(bǔ)償發(fā)出功率和需求功率之間差額，證實(shí)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在減小蓄電池的容量、降低其放電深度、延長(zhǎng)蓄電池壽命以及減低系統(tǒng)投資成本上的作用。

1 鋰電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)模型

1.1 車輛參數(shù)

其中，整車質(zhì)量為10 244 kg，迎風(fēng)面積A(m2)為8.2 m2，風(fēng)阻系數(shù)CD為0.7，車長(zhǎng)8 545 mm，車寬2 480 mm，車高3 300 mm；

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率/峰值功率為80 kw/155 kw，最大轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，最大轉(zhuǎn)矩為2 150 N；

超級(jí)電容模塊的基本參數(shù)：最大電壓VSC_M,max（V）：25；容量CSC_M（F）：140；儲(chǔ)存能量（kJ）：54.88。

表1 LiFePO4 電池單體的基本參數(shù)

1.2 鋰電池建模

本文采用鋰電池模型是基于空載電壓Ebatt，電池電流ibatt，內(nèi)阻為rbatt建立的模型，其中，Ebatt分為充電空載電壓Ebattcha和放電空載電壓Ebattdis，即

式中，Q 代表最大電池容量；it 代表電池實(shí)際放電容量；K 代表極化系數(shù)；A 代表指數(shù)放電區(qū)；B 代表指數(shù)區(qū)時(shí)間常數(shù)倒數(shù)。

SOC 的計(jì)算公式：

1.3 超級(jí)電容電池建模

本文選取二階RC 等效電路模型，選取2.8 V，350F 的超級(jí)電容單體組成；

超級(jí)電容滿足如下關(guān)系式：

超級(jí)電容單體輸出功率滿足如下關(guān)系：

超級(jí)電容單體電流為：

2 基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的能量管理策略

基于超級(jí)電容SOC 的功率分配控制方法：

將超級(jí)電容的SOC 分為三個(gè)區(qū)域：SOC<10%，10%

功率分配調(diào)整方式見(jiàn)表2。

表2 功率分配調(diào)整方式

3 能量管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充分考慮鋰電池使用壽命，并且讓超級(jí)電容的SOC 控制在一定的范圍內(nèi)，所以，需要有鋰電池的輸出功率節(jié)點(diǎn)pFCmin和pFCmax-pB。鋰電池的最大輸出功率為pFCmax，超級(jí)電容的充電功率為pB，放電功率為-pB；引入SOC 的高低值SOCH 和SOCL，并且把超級(jí)電容的SOC 劃分三個(gè)區(qū)域，負(fù)載功率為pl。根據(jù)控制策略的不同，SOC 的狀態(tài)和負(fù)載功率劃分為14 個(gè)狀態(tài)。

具體控制策略如表3 所示。

表3 控制策略

4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略的仿真及分析

為驗(yàn)證SOC 的狀態(tài)保持策略，分別將本文提出的過(guò)充過(guò)放和基于功率追蹤的能量管理策略應(yīng)用于同一鋰電池混合動(dòng)力汽車。

基于功率跟蹤控制策略的功率曲線見(jiàn)圖1。

圖1 基于功率跟蹤控制策略的功率曲線

通過(guò)MATLAB/Simulink 的仿真實(shí)驗(yàn)證明，如圖2中，可以看出，在2.5 秒后，超級(jí)電容的輸出較為平穩(wěn)，鋰電池功率波動(dòng)平穩(wěn)。

圖2 自適應(yīng)功率跟蹤控制的功率曲線

該方法能夠提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)功率波動(dòng)的平抑效果，并且鋰電池累計(jì)充電放電能量相應(yīng)的減少，從而可以證明使用上述方法可以延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)傳統(tǒng)客車存在的優(yōu)缺點(diǎn)，做了如下工作：

（1）搭建鋰電池／超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，提出了基于自適應(yīng)控制策略的能量管理系統(tǒng)；

（2）對(duì)超級(jí)電容的SOC 進(jìn)行劃分，避免蓄電池大功率、大電流充放電現(xiàn)象，提高了蓄電池的使用壽命。