电动汽车电池超级电容器，混合储能系统能量管理及新策略的开发

文丨可依说

编辑丨可依说

前言

混合储能系统(HESS)用于优化电动汽车嵌入式储能系统的性能。混合存储系统将能量和电源(如电池和超级电容器)分离，以最大限度地发挥其特性。本文讨论了使用新的HESS管理策略来改进嵌入式源的大小、效率或成本。

此外，这种新策略最重要的优点之一是电池寿命的提高。由于这一发展，可以显著降低成本并优化电动汽车的性能。仿真结果表明，该方法有效地降低了电池的均方根功率，充电量可以作为嵌入式能量管理的主要考虑因素。

在低功耗试验台上进行了实验验证，并对电池和超级电容器进行了仿证电力电子器件与存储系统的电气模型在软件环境下实现。实验结果验证了所提出的能量管理策略，证明了电池功率约束的降低。

介绍

根据一项新的研究(Prasad和Rahn)，减少温室气体(导致全球变暖的原因)的流动，到2100年每年可防止多达300万人过早死亡。近年来，货物和人员的运输在影响气候的全球排放中所占的比例越来越大。

此外，还指出了减轻城市地区污染的许多努力。在这种情况下，混合动力汽车、插电式混合动力汽车和电动汽车可以通过大幅减少对汽油和柴油等不可再生化石燃料的依赖，为更环保、更清洁的环境做出贡献。

然而，只有当传统汽车的成本和性能与基于电动人口的汽车相当时，电动汽车在减少温室气体排放方面的贡献才会实现。实际电动汽车的主要问题是由于嵌入式存储系统的尺寸和成本。

多种电池广泛应用于汽车领域。特别是锂离子电池，由于其高能量密度、轻质量和良好的使用寿命，吸引了几个汽车制造商集团的兴趣。尽管使用锂离子技术改善了电池特性，但电力存储系统的性能与传统汽车相比仍有很大差距。

提高锂离子电池寿命并减轻其重量的一种方法是使用超级电容器作为二次电源。超级电容器的性能与电池的性能完全互补。事实上，这些器件具有非常高的功率密度，低串联电阻，非常高的可循环性(数百万次循环)和可靠性。

然而，在EV应用中使用HESS增加了嵌入式电源架构的复杂性，但也提供了改进它的机会。Sadoun 提出了大功率锂离子电池与混合储能系统HESS (High energy lion + Supercapacitors)尺寸的比较。

研究结果证明了混合解决方案对高行程值的兴趣。杂交也允许改进源寿命，通过减少施加在电池上的应力。一些文献提出了由电池和超级电容器组成的混合存储系统的不同管理策略。

这些工作试图降低电池的均方根功率，以提高这最后一个的寿命。所有的文献研究都没有考虑混合存储系统规模的变化，如果他们改变了管理策略。在本文中，我们提出了混合储能系统(HESS)的新电源管理策略的发展。

同时考虑到源尺寸的改进和最后一个源的寿命，主要目标是利用这种新的电源架构来提高全局性能与原始牵引电池相比，电池/超级电容器HESS具有更多优势，因为使用超级电容器可以确保制动模式下的高加速和高回收功率。

然而，以下问题是嵌入式储能系统混合化的动力，锂离子电池的功率密度，有限需要最大限度地回收制动时的能量减小，嵌入式储能系统的尺寸提高锂离子电池的使用寿命，降低嵌入式电源的总体成本。

在这种情况下，HESS解决方案在电力人口应用中是有用和可靠的。此外，要实现长久的耐用性，锂离子电池必须保证电动汽车的平均功率。

锂离子电池由于其独特的性能，

如高电压、高能量密度、低自放电、快速充电和耐用性，似乎是供应电动汽车的一个有竞争力的解决方案等然而，有许多不同类型的锂离子电池可用于汽车电源应用(Mousavi等)。

在我们的案例中，选择KOKAM电池(40HED)组成电池组。超级电容器不像锂离子电池那样储存那么多能量，但能够非常迅速地释放和积累这些能量(高功率密度)。为此，这些装置适用于大功率车辆应用，提供加速车辆所需的动力或在制动阶段恢复可用能量。

在本研究中，我们选择了350/2.7的Maxwell技术。这些细胞的特征。为了将高能量存储系统(如锂电池)与辅助能量存储系统(如同一直流母线中的超级电容器)相关联，文献中提出了几种配置(Kohler等)

在我们的案例中选择了其中一种配置，其中所选的架构是基于电池直接连接到直流总线而不需要转换器，另一方面，超级电容器组通过双向dc/dc转换器连接到直流总线。为了确定嵌入式储能系统的尺寸，需要建立汽车运动的动力学模型。

这使我们能够计算电力推进所需的功率和能量，使我们能够估计任何行程的理论电动汽车需求。因此，通过对电动汽车模型的仿真得到功率和能量曲线，其中输入是设定点行驶周期(车辆根据时间的速度)。

然而，驾驶周期(UDC, NEDC, ARTEMIS)是由不同的国家和组织以各种方式评估车辆的性能，例如燃料消耗和污染任务。在我们的研究中，使用平均斜率为2.5%的阿尔忒弥斯周期来确定HESS的大小。显示了城市和道路ARTEMIS循环。

所使用的模型考虑了几种力，以及道路和速度剖面，Mesbahi等人详细介绍了这些力的发展。在本研究中，电动汽车的行驶里程设定为150公里，为了达到这个距离，ARTEMIS行驶循环必须重复7次。显示了不同行驶周期的典型所需功率和能量。

电动汽车的推进功率中用正部分定义，其中制动阶段的回收功率用负值表示。然而，能源需求是通过整合电动汽车的功率来计算的。。

锂离子电池以其巨大的优势被誉为最有发展前途的绿色电池，受到大多数新能源汽车的青睐。然而，电池是一个非线性系统，大多数研发团队通常使用的模型可以分为两种典型:电化学模型和等效电路模型(ECM)。

在这种情况下，等效电路模型是表示锂离子电池动态行为的最常见和最直接的方法。采用这种建模方法，锂离子电池电芯可以用开路电压(OCV)表示，两个RC电路串联连接，表示电荷转移和扩散过程，

以及双层电容现象，串联电阻R0表示内阻。然而，在我们的应用中，OCV(soc)的值取决于soc和电流方向，以及串联电阻R0。几年来，为了改善汽车应用中的能量存储，超级电容器是一项很有前途的技术。

为了对超级电容器电池进行建模，文献中提出了电化学模型和等效电路模型等多种模型类型。然而，超级电容器的等效电路模型在电力应用中是非常有用和可靠的。因此，超级电容器模型比其他模型更受青睐，因为它更能代表组件内部出现的物理现象(离子迁移到具有不同可及性的多孔电极中)(Rizoug等)。

然而，元素rs对应于由金属导体和电解液引起的串联电阻。因此，由无穷小的电阻和电容组成的无限阶梯网络表示超级电容器的孔隙阻抗。其中RBF和RHF对应主要通过频率特性识别的传输线参数。

参数a、b、c表示电容随工作电压变化的拟合参数。这些参数是通过使用超级电容器电池放电/充电测试的时间表征来确定的(Rizoug等)。在本文中，电动汽车是由电动机驱动，使用锂离子电池，和超级电容器组作为嵌入式储能能源效率系统。

为此，必须确定HESS的大小，以确保维护由需求定义的自主性和能力。然而，在我们的例子中，电动汽车的行驶里程被设定为150公里。电池组的大小将确保在150公里的电动汽车续航里程下ARTEMIS行驶周期的能量，其中消耗的能量EV_cons呈现电池组产生的最大能量。

为了实现全尺寸的电池组，确定电池单元数Nbat_cells = Nbat_p。Nbat_p是一个必要步骤。因此，我们需要知道许多参数，如速度分布、制动阶段的功率回收率和放电深度DOD。这样，电池组能量就可以通过。

在混合存储系统的情况下，能量管理策略允许在两种存储技术(电池和超级电容器)之间分配任务功率。功率任务是用速度任务来计算的。由电池和超级电容器组成的混合存储系统的电源管理原理。

近年来，人们提出了几种混合储能系统的管理策略。这些方法可以分为基于规则的方法和基于优化的控制策略。基于规则的方法可以通过不同的方式获得，例如，通过负载功率滤波，电池功率的限制。

由于所有这些传统策略都遵循静态规则或仅提供静态规则的适应性，因此它们不符合先前定义的关于目标对周围环境重要性的灵活性和适应性的规范。报道了不同的基于优化的控制策略。

事实上，在HESS中可以优化几个目标函数，如有效的功率分配、损耗最小化、最佳尺寸和电池寿命标准。然而，由于行驶周期的复杂性和多样性，很难建立精确的能量管理系统数学模型。这就是为什么经典的能源管理方法一直沿用至今的汽车电源应用。

这样一来，车辆在城市交通中的运行就需要一种因果能量管理策略，它可以实时管理对行驶周期的随机影响，从而管理电动汽车的电力需求。

本文从传统的电池功率限制策略出发，针对电动汽车混合储能系统中锂离子电池功率应力的降低，提出了一种新的能量管理方法。该优化方法是根据充电SOC的超级电容器状态对电池功率进行可变限制，以保证功率在HESS中的分配。

因此，我们主张的主要目标是降低RMS电池功率，并在其最高效率点运行HESS。因此，可以减少电池/超级电容器HESS的体积和质量，并延长其使用寿命。几种电源管理策略被开发并在文献中提出。

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