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.pdf

2023.21 科学技术创新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 1LiFePO4 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(1)(2)作者简介：赵超培（1996-），男，硕士研究生，研究方向：新能源汽车与运用。摘要：本文针对 KLQ6856 电动客车，设计了锂电池-超级电容混合动力汽车的能量管理系统（EnergyManagement System），设计了根据超级电容荷电状态变化而对客车工况的自适应过充过放协调控制策略。针对传统能量管理办法中蓄电池和超级电容的过充和过放问题进行分析，提出 14 种基于状态的自适应控制策略，同时，引入超级电容 SOC 上下限值，使锂电池尽可能地稳定在合理区域，避免锂电池出现过度充放电现象。根据实车模型在 Matlab/Simulink 环境下建立了仿真模型，实验结果可以说明，本文提出的自适应控制策略能够更好地保护电池。关键词：锂离子电池；超级电容；能量管理系统；SOC；Matlab/Simulink中图分类号院U469.72文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤21-0197-04参数（单位）数值 标称电压 Vbat_cell(V)3.22 单体容量 Cbat_cell(Ah)202 单体储能(kJ)18732 单体质量(kg)4.57 工作温度范围()-2035 *0exp()()()battdisQQEEKiKitABitQitQit*0exp()(0.1)()battchaQQEEKiKitABitQitQit197-科学技术创新 2023.21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：(3)超级电容单体输出功率满足如下关系：(4)超级电容单体电流为：(5)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：SOC10%，10%SOC90%，SOC90%。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220()2scscCscscscnEUUnscsc scpU inscscscPiU锂电池功率 超级电容功率 超级电容 SOC 0bp 0scp 0.1scsoc 0bp 0scp 0.1scsoc 0bp 0scp 0.9scsoc 0bp 0scp 0.9scsoc 表 3控制策略198-2023.21 科学技术创新出功率节点 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。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。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。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。参考文献1刘焱,胡清平,陶芝勇,等.锂离子动力电池技术现状及发展趋势J.中国高新科技,2018(7):58-64.2Wenbo L,Ruyin L,Hong C.Consumers5 evalua原图 2自适应功率跟踪控制的功率曲线图 1基于功率跟踪控制策略的功率曲线199-科学技术创新 2023.21KLQ6856 Lithium Battery/SupercapacitorCompound Energy Storage SystemOvercharge and Discharge Optimizationand Adaptive Control StrategyZhao Chaopei（Jiangsu University of Technology,Changzhou,China）Abstract:ForKLQ6856electricbus,theEnergyManagementSystemoflithium-ionbattery-supercapacitor hybrid electric vehicle is designed,and the adaptive overcharge and overdischarge coordinationcontrol strategy is designed according to the change of supercapacitors charging state.Based on the analysisoftheoverchargeandoverdischargeproblemsofbatteriesandsupercapacitorsintraditionalenergymanagement methods,14 state-based adaptive control strategies are proposed.At the same time,the upperand lower limits of supercapacitor SOC are introduced to make the lithium battery stable in a reasonable areaas far as possible and avoid the phenomenon of overcharge and discharge of lithium batteries.A simulationmodel was established in Matlab/Simulink environment according to the real vehicle model.The experimentalresults show that the adaptive control strategy proposed in this paper can better protect the battery.Key words:lithium-ion battery;supercapacitor;energy management system;SOC;Matlab/Simulinktion of national new energy vehicle policy in China:An analysis based on a four paradigm model.EnergyPolicy 2016,99,33-41.3Li C,Negnevitsky M,Wang X,et al.Multi-criteriaanalysis of policies for implementing clean energy ve原hicles in ChinaJ.Energy Policy,2019,129(JUN):826-840.4A K P,B J E T,C Z W,et al.Total cost of owner原ship and market share for hybrid and electric vehi原cles in the UK,US and Japan J.Applied Energy,2018,209:108-119.5She Z Y Sun Q,Ma J J5 et al.AVhat are thebarrierstowidespreadadoptionofbatteryelectricvehicles?A survey of public perception in Tianjin,ChinaJ.Transport Policy,2017s 56(MAY):29-40.6闫晓金.独立光伏发电混合储能系统功率转换控制研究J.可再生能源,2020,38(10):1368-1374.7王琦.电机车混合储能与驱动一体化系统研究D.淮南：安徽理工大学,2019.8付菊霞,陈洁,邓浩,等.平抑风电波动的混合储能系统控制策略J.电测与仪表,2020,57(5):94-100.9Dougal R A,Liu S,White R E.Power and lifeextension of battery-ultracapacitor hybrids J.IEEETransactions on Component stand Packaging technolo原gies,2012,25(1):120-130.200-