洪繼超

摘要：針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)，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)優(yōu)化調(diào)節(jié)過(guò)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(chē);鋰電池;超級(jí)電容;混合儲(chǔ)能，控制策略

引言

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

上，由脈沖電容器快速對(duì)負(fù)載放電，從而實(shí)現(xiàn)功率的放大。

蓄電池在使用時(shí)，放電策略將對(duì)電池性能產(chǎn)生極大影響，過(guò)放、持續(xù)超高倍率放電都會(huì)直接縮短蓄電池壽命，影響蓄電池可靠性和安全性?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的電池組采用時(shí)序串聯(lián)方式，因此某一組的提前失效將直接影響整個(gè)系統(tǒng)。另外，由于每次發(fā)射各組蓄電池的放電時(shí)間長(zhǎng)短不同，單次發(fā)射完成后每組電池的剩余容量會(huì)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(lái)保證各組蓄電池均衡放電。以恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序觸發(fā)電池組放電可以使電流實(shí)現(xiàn)近似恒流。如果觸發(fā)時(shí)序不準(zhǔn)確，則會(huì)引起電流誤差。這種時(shí)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(shí)際電路參數(shù)決定。一般實(shí)際電路參數(shù)與理論設(shè)計(jì)存在誤差，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際蓄電池放電電流峰值與設(shè)計(jì)值之間存在誤差，這意味著蓄電池對(duì)脈沖電容器的充電可能無(wú)法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，影響整個(gè)艦載電磁發(fā)射裝置系統(tǒng)的功能。

一、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P HESS初次分配。

由于兩儲(chǔ)能裝置間存在中能量的相互轉(zhuǎn)移，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并無(wú)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(shí)間常數(shù)t s調(diào)整后，鋰電池、超級(jí)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(guò)濾波時(shí)間常數(shù)的調(diào)整，不但可以確?；旌蟽?chǔ)能系統(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(jí)電容的工作特性，將其荷電狀態(tài)劃分為五個(gè)區(qū)域，并設(shè)置相應(yīng)的SOC報(bào)警閾值，詳細(xì)劃分如表2所示。

當(dāng)鋰電池或超級(jí)電容處于深度放電狀態(tài)時(shí)，需要對(duì)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(guò)程中，為防止鋰電池或超級(jí)電容的SOC值接近上限而進(jìn)入禁止充電區(qū)，需要對(duì)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(guò)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P c_b_max和P d_b_max，超級(jí)電容最大充/放電功率分別為P c_sc_max和P d_sc_max，以儲(chǔ)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(wèn)題

1.1傳統(tǒng)閡值控制

應(yīng)用于城軌交通的儲(chǔ)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(chē)由牽引變電站供電，圖3-22所示為列車(chē)在牽引和制動(dòng)過(guò)程中牽引變電站、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以及列車(chē)電流之間的關(guān)系示意圖，當(dāng)列車(chē)加速使得母線電壓低于放電閡值時(shí)，閡值控制通過(guò)控制儲(chǔ)能元件放電使母線電壓維持在放電閉值，此時(shí)存在

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

三、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。

表3儲(chǔ)能裝置的主要技術(shù)參數(shù)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P HESS;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P b+P sc。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(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SOC b;黑色曲線為超級(jí)電容的實(shí)時(shí)SOC值，即SOC sc。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。

結(jié)束語(yǔ)：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(chē)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(chē)上，可提高汽車(chē)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。

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