車用混合儲能系統的能量控制策略研究

洪繼超

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優化調節過程，提出基于混合儲能裝置性能的能量協調、互補控制策略。在Matlab/simulink軟件中搭建系統模型，驗證了控制策略的正確性和穩定性。

關鍵字：混合動力汽車;鋰電池;超級電容;混合儲能，控制策略

引言

新型混合儲能技術是利用“化學儲能+物理儲能”的兩次能量轉化來實現功率的急劇增大，從而降低系統對電網的瞬時功率需求。其基本原理是電網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轉移到脈沖電容器

上，由脈沖電容器快速對負載放電，從而實現功率的放大。

蓄電池在使用時，放電策略將對電池性能產生極大影響，過放、持續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。混合儲能系統的電池組采用時序串聯方式，因此某一組的提前失效將直接影響整個系統。另外，由于每次發射各組蓄電池的放電時間長短不同，單次發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，在保證循環發射速度的前提下，需采取一定的控制策略來保證各組蓄電池均衡放電。以恰當的時序觸發電池組放電可以使電流實現近似恒流。如果觸發時序不準確，則會引起電流誤差。這種時序串聯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決定。一般實際電路參數與理論設計存在誤差，會導致實際蓄電池放電電流峰值與設計值之間存在誤差，這意味著蓄電池對脈沖電容器的充電可能無法在規定的時間內完成，影響整個艦載電磁發射裝置系統的功能。

一、混合儲能系統能量管理策略與數學模型

根據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移，對混合儲能系統來說并無意義，需要減小這部分的功率轉移，調整方式如表1所示。

設濾波時間常數t s調整后，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調整值，則：

通過濾波時間常數的調整，不但可以確保混合儲能系統補償總功率指令的準確性，還可以減少鋰電池能量吸收、釋放的次數，以增強鋰電池工作耐性。根據根據鋰電池和超級電容的工作特性，將其荷電狀態劃分為五個區域，并設置相應的SOC報警閾值，詳細劃分如表2所示。

當鋰電池或超級電容處于深度放電狀態時，需要對其放電功率進行調整，以防止其進入禁止放電區，具有功率調整策略如下：

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

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、改進型控制策略

1.傳統閱值控制與撼波分配法存在的問題

1.1傳統閡值控制

應用于城軌交通的儲能系統通常采用電壓閡值控制，在城軌交通供電系統中，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、混合儲能系統以及列車電流之間的關系示意圖，當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;幾為混合儲能系統輸出電流;斤為列車牽引所需電流。當列車采用電氣制動產生回饋能量時，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、仿真試驗與結果分析

在Matlab/Simulink中搭建混合儲能系統的控制模型，為了驗證儲能系統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所需平抑的總波動功率PHESS進行仿真分析，并規定正數值代表儲能裝置放電，反之則為充電，主要技術參數如表3所示。在系統中設置低通濾波時間常數的初始值為ts=30，Δt=10，荷電狀態初始值均設為0.5，系統總仿真時間為1000s。

表3儲能裝置的主要技術參數在混合儲能系統運行中，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;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的實際補償情況，如圖3所示。

圖3中，黑色曲線為系統需要平抑的總波動功率，即P HESS;紅色曲線為混合儲能系統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功率補償，這主要是因為傳統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P HESS、紅色曲線P b、黑色曲線P sc分別表示系統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，儲能裝置根據系統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功率波動及安全性方面具有正確性和有效性。

結束語：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，可提高汽車的節能環保指標。

（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。

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