车用混合储能系统的能量控制策略研究

洪继超

摘要：针对混合动力汽车，运用锂电池、超级电容性能特点组成混合储能系统优化调节过程，提出基于混合储能装置性能的能量协调、互补控制策略。在Matlab/simulink软件中搭建系统模型，验证了控制策略的正确性和稳定性。

关键字：混合动力汽车;锂电池;超级电容;混合储能，控制策略

引言

新型混合储能技术是利用“化学储能+物理储能”的两次能量转化来实现功率的急剧增大，从而降低系统对电网的瞬时功率需求。其基本原理是电网先将能量传递给蓄电池储存起来，再将蓄电池的能量在较短的时间内转移到脉冲电容器

上，由脉冲电容器快速对负载放电，从而实现功率的放大。

蓄电池在使用时，放电策略将对电池性能产生极大影响，过放、持续超高倍率放电都会直接缩短蓄电池寿命，影响蓄电池可靠性和安全性。混合储能系统的电池组采用时序串联方式，因此某一组的提前失效将直接影响整个系统。另外，由于每次发射各组蓄电池的放电时间长短不同，单次发射完成后每组电池的剩余容量会不相同，因而为保证蓄电池的寿命，在保证循环发射速度的前提下，需采取一定的控制策略来保证各组蓄电池均衡放电。以恰当的时序触发电池组放电可以使电流实现近似恒流。如果触发时序不准确，则会引起电流误差。这种时序串联恒流充电方式电流峰值完全由第一组蓄电池放电电流决定，而第一组蓄电池放电电流又由实际电路参数决定。一般实际电路参数与理论设计存在误差，会导致实际蓄电池放电电流峰值与设计值之间存在误差，这意味着蓄电池对脉冲电容器的充电可能无法在规定的时间内完成，影响整个舰载电磁发射装置系统的功能。

一、混合储能系统能量管理策略与数学模型

根据储能设备的技术特性，利用基于功率波动性质的高/低通滤波进行系统的功率指令P HESS初次分配。

由于两储能装置间存在中能量的相互转移，对混合储能系统来说并无意义，需要减小这部分的功率转移，调整方式如表1所示。

设滤波时间常数t s调整后，锂电池、超级电容的功率指令分别表示为P b_2、P sc_2，Δt为t s调整值，则：

通过滤波时间常数的调整，不但可以确保混合储能系统补偿总功率指令的准确性，还可以减少锂电池能量吸收、释放的次数，以增强锂电池工作耐性。根据根据锂电池和超级电容的工作特性，将其荷电状态划分为五个区域，并设置相应的SOC报警阈值，详细划分如表2所示。

当锂电池或超级电容处于深度放电状态时，需要对其放电功率进行调整，以防止其进入禁止放电区，具有功率调整策略如下：

同理，在充电过程中，为防止锂电池或超级电容的SOC值接近上限而进入禁止充电区，需要对其充电功率进行调整，具有功率调整策略如下：

从上式可知，随着充放电过程的加深，储能装置SOC值会向极限值靠近，功率也会随之减少。当充电功率减小到零时，储能设备将停止充电，由于储能装置的最大功率由其性能决定，因此需进行功率保护。设锂电池的最大充/放电功率分别为P c_b_max和P d_b_max，超级电容最大充/放电功率分别为P c_sc_max和P d_sc_max，以储能装置的充放电禁止线和P e的大小为限制进行控制，最大功率限制策略流程分别如图1和图2所示。

二、改进型控制策略

1.传统阅值控制与撼波分配法存在的问题

1.1传统阂值控制

应用于城轨交通的储能系统通常采用电压阂值控制，在城轨交通供电系统中，列车由牵引变电站供电，图3-22所示为列车在牵引和制动过程中牵引变电站、混合储能系统以及列车电流之间的关系示意图，当列车加速使得母线电压低于放电阂值时，阂值控制通过控制储能元件放电使母线电压维持在放电闭值，此时存在

式中，Ir为牵引变电站输出电流;几为混合储能系统输出电流;斤为列车牵引所需电流。当列车采用电气制动产生回馈能量时，阂值控制通过控制储能元件充电使得母线电压维持在充电阂值，此时存在

三、仿真试验与结果分析

在Matlab/Simulink中搭建混合储能系统的控制模型，为了验证储能系统控制策略是能够完成预期目标，仿真中选用波动功率模块为混合储能系统所需平抑的总波动功率PHESS进行仿真分析，并规定正数值代表储能装置放电，反之则为充电，主要技术参数如表3所示。在系统中设置低通滤波时间常数的初始值为ts=30，Δt=10，荷电状态初始值均设为0.5，系统总仿真时间为1000s。

表3储能装置的主要技术参数在混合储能系统运行中，另设置一组仿真实验（方案1）进行对比分析。方案1的控制策略中，采用恒定的滤波时间常数;方案2则为提出的能量管理与控制策略。运行仿真模型，得到不同方案下储能系统的实际补偿情况，如图3所示。

图3中，黑色曲线为系统需要平抑的总波动功率，即P HESS;红色曲线为混合储能系统的实际充放电功率曲线，即P b+P sc。对比可知，方案2可更好地完成混合储能系统功率补偿，这主要是因为传统控制策略未考虑两储能装置间的能量缺失。为进一步验证提出的控制策略的安全性能，在方案2下仿真得到储能装置的实时功率曲线和SOC值变化曲线，分别如图4和图5所示。图4中，蓝色曲线P HESS、红色曲线P b、黑色曲线P sc分别表示系统需要平抑的总波动功率、锂电池的功率、超级电容的功率。图5中，红色曲线为锂电池的SOC值，即SOC b;黑色曲線为超级电容的实时SOC值，即SOC sc。由图可知，储能装置根据系统需求始终在安全的范围内工作，超级电容SOC实际变化范围为0.4～0.5，锂电池SOC实际变化范围为0.45～0.5;锂电池SOC变化平缓而超级电容波动较大，这满足储能装置各自的能量、功率特性。因此，提出的能量管理控制策略在跟踪系统功率波动及安全性方面具有正确性和有效性。

结束语：分析了锂电池、超级电容的特点，采用锂电池、超级电容进行联合调控，提出了混合动力汽车的能量控制策略，利用MATLAB建模仿真验证。研究表明：

（1）将锂电池、超级电容运用到混合动力汽车上，可提高汽车的节能环保指标。

（2）提出的控制策略能够使锂电池、超级电容工作在安全范围内，其中超级电容SOC实际变化范围为0.4～0.5，锂电池SOC实际变化范围为0.45～0.5，提高了储能装置的寿命。

参考文献：

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