KLQ6856 车型锂电池/ 超级电容复合储能系统过充放优化与自适应控制策略

赵超培

（江苏理工学院，江苏 常州）

传统内燃机汽车的销售和使用是目前空气污染和能源消耗等环境问题的主要原因之一[1]，因此，应推广新能源使用方面的政策，加快新能源汽车研发进程[2]。新能源汽车飞速发展得益于电池储能技术不断提高，从而满足续航里程这一必要条件。目前电动汽车的能源是电池组来提供的[3]。用于电动汽车上的电池是锂电池，这种电池由于其具有重量较轻、能量密度高、功率大、自放电缓慢等特点[4-5]，逐步代替了传统铅酸电池成了电动汽车的主要储能元件。但是，锂电池工作始终处于频繁大功率放电的状态，会遭受不可逆转的容量损耗以及寿命减少，从而使得锂电池组难以有效发挥其潜能[6]。为有效解决上述问题，提出了超级电容与动力电池构成的复合储能装置[7]。付菊霞等人[8-9]研究了混合储能系统的发电功率波动和补偿发出功率和需求功率之间差额，证实了混合储能系统在减小蓄电池的容量、降低其放电深度、延长蓄电池寿命以及减低系统投资成本上的作用。

1 锂电池/超级电容混合动力系统模型

1.1 车辆参数

其中，整车质量为10 244 kg，迎风面积A(m2)为8.2 m2，风阻系数CD为0.7，车长8 545 mm，车宽2 480 mm，车高3 300 mm；

驱动电机额定功率/峰值功率为80 kw/155 kw，最大转速为2 800 r/min，最大转矩为2 150 N；

超级电容模块的基本参数：最大电压VSC_M,max（V）：25；容量CSC_M（F）：140；储存能量（kJ）：54.88。

表1 LiFePO4 电池单体的基本参数

1.2 锂电池建模

本文采用锂电池模型是基于空载电压Ebatt，电池电流ibatt，内阻为rbatt建立的模型，其中，Ebatt分为充电空载电压Ebattcha和放电空载电压Ebattdis，即

式中，Q 代表最大电池容量；it 代表电池实际放电容量；K 代表极化系数；A 代表指数放电区；B 代表指数区时间常数倒数。

SOC 的计算公式：

1.3 超级电容电池建模

本文选取二阶RC 等效电路模型，选取2.8 V，350F 的超级电容单体组成；

超级电容满足如下关系式：

超级电容单体输出功率满足如下关系：

超级电容单体电流为：

2 基于超级电容荷电状态的能量管理策略

基于超级电容SOC 的功率分配控制方法：

将超级电容的SOC 分为三个区域：SOC<10%，10%

功率分配调整方式见表2。

表2 功率分配调整方式

3 能量管理控制系统设计

充分考虑锂电池使用寿命，并且让超级电容的SOC 控制在一定的范围内，所以，需要有锂电池的输出功率节点pFCmin和pFCmax-pB。锂电池的最大输出功率为pFCmax，超级电容的充电功率为pB，放电功率为-pB；引入SOC 的高低值SOCH 和SOCL，并且把超级电容的SOC 划分三个区域，负载功率为pl。根据控制策略的不同，SOC 的状态和负载功率划分为14 个状态。

具体控制策略如表3 所示。

表3 控制策略

4 混合储能系统能量管理策略的仿真及分析

为验证SOC 的状态保持策略，分别将本文提出的过充过放和基于功率追踪的能量管理策略应用于同一锂电池混合动力汽车。

基于功率跟踪控制策略的功率曲线见图1。

图1 基于功率跟踪控制策略的功率曲线

通过MATLAB/Simulink 的仿真实验证明，如图2中，可以看出，在2.5 秒后，超级电容的输出较为平稳，锂电池功率波动平稳。

图2 自适应功率跟踪控制的功率曲线

该方法能够提高混合储能系统对功率波动的平抑效果，并且锂电池累计充电放电能量相应的减少，从而可以证明使用上述方法可以延长锂电池的使用寿命。

结束语

本文根据传统客车存在的优缺点，做了如下工作：

（1）搭建锂电池／超级电容混合动力系统模型，提出了基于自适应控制策略的能量管理系统；

（2）对超级电容的SOC 进行划分，避免蓄电池大功率、大电流充放电现象，提高了蓄电池的使用寿命。