基于提高电池寿命的混合储能系统最优匹配及控制策略研究



基于提高电池寿命的混合储能系统最优匹配及控制策略研究

提出一种应用不同混合储能系统（HESS）的最优匹配表述方式。HESS是由锂电池和超级电容组成的复合电源，超级电容寿命长、功率高的特点弥补了电池不足。该系统主要用于需求高能量高功率设备的混合动力汽车等。

复合电源设计的目的是能同时满足车辆能量和功率需求，但设计过程会出现电池或超级电容规格过大，从而造成质量大、成本高等现象，为此提供了基于储能系统最初成本和10年电池更新成本的最佳匹配表达式，进行优化设计。对于电池更新成本，研究了LiFePO4电池容量衰减公式。计算了2.6Ah LiFePO4电池不同放电电流的容量，此容量定义为在某一电流下电池容量降至总容量20%时的放电量。混合储能系统的工作特性依赖于车辆路况，因此在某一具体循环工况下计算电池容量损失。10年（每天8min，每年250工作日）的电池容量损失则在此基础上计算得到。若低于此值，表明10年内不需更换电池；若出现高于此值的电池单体，则需要更换电池，其数量表示10年内电池更换次数。

HESS在串联混合动力客车上的试验应用表明，通过增加超级电容，锂电池寿命得到明显提升，但HESS最优规格依赖客车行驶工况。因此，在优化设计过程中考虑HESS的功率曲线变化可进一步降低成本，并在3种不同行驶工况下验证了此效果。

通过动态规划算法应用到基于循环工况的功率分布控制策略（PDCS）中，形成最优PDCS。超级电容的功率和电流由前一步及当前超级电容荷电状态计算得到。电池功率由每时刻车辆需求功率和超级电容功率计算得到。通过控制最佳电池电容功率分配得到最优的复合电源成本。类似传统的基于超级电容的PDCS，最优PDCS分析了充电和放电情况下复合电源行为案例。其中，充电过程中区域2和区域4范围内的超级电容功率达到极限值，控制超级电容放电使其吸收更多电荷，是最优PDCS独有的特点。

试验结果证明，最优PDCS下LiFePO4电池寿命有了很大提高，降低了整车成本。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2013年第244卷

作者：Masoud Masih-Tehrani

编译：谢秀磊