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混合储能装置能量管理方法研究

李元丰  
【摘要】:能源和环境危机促进汽车产业向新能源方向发展,纯电动汽车是绿色、无污染、环境友好型交通工具,是我国汽车产业战略化转型的主要方向。车辆行驶过程中,高频率、大幅度变化的充放电过程会导致锂离子动力电池的寿命加速衰减,限制了纯电动汽车的发展和应用。超级电容循环使用寿命长、大电流充放电能力强的特点可以和锂离子动力电池的高能量密度优势互补,锂离子电池/超级电容混合储能系统可以同时满足纯电动汽车对高功率和高能量的双重要求。锂离子电池/超级电容混合储能系统能量管理方法对于保护锂离子电池、发挥超级电容优势、提升系统工作效率和稳定性具有重要意义。本文的主要工作内容有:(1)对蓄电池的结构、工作原理进行了分析,进而分析了不同种类蓄电池的性能特点,重点研究了运行工况对磷酸铁锂电池的放电特性和稳定性的影响。结果表明,不同温度、不同放电倍率和不同放电电流类型等因素对磷酸铁锂电池可输出能量具有较大影响。类似于研究磷酸铁锂电池的方法,对于超级电容的研究结果表明不同温度、不同放电倍率和不同放电电流类型等因素对超级电容可输出能量影响较小。(2)针对电动汽车行驶过程中动力电池过高放电电流导致的电池容量衰减问题,构建了由锂离子动力电池、超级电容和多端口DC-DC变换器构成的全主动式混合储能系统,并以超级电容SOC、整车需求功率和车速为输入变量,以锂离子动力电池输出功率为输出变量,通过构造45条模糊规则,提出了基于模糊逻辑的储能系统能量管理策略,在保障车辆起步和加速时峰值功率需求的同时,避免了高频电流波动对动力电池寿命的影响。在HWFET(Highway Fuel Economy Test)工况下的实验结果表明所提出的全主动式双能量源混合储能系统和基于模糊逻辑的能量管理策略能够有效保护锂离子动力电池免受大电流波动影响,从而达到延长电池寿命的目的。(3)基于成本、结构和控制复杂性等方面考虑,设计了半主动式混合储能系统,在该系统中锂离子电池通过DC-DC变换器和直流母线连接,超级电容直接并联于直流母线。针对混合储能系统建立了模型,然后提出了以降低混合储能系统功率损耗率和提高直流母线电压稳定性为优化目标的模型预测能量管理方法。具有多项约束条件的能量管理方法不仅提高了混合储能系统工作效率、稳定了直流母线电压,也限制了锂离子电池放电电流幅值。在HWFET工况下的实验结果表明,和纯电池储能系统相比,在保证直流母线电压稳定的前提下,以半主动式混合储能系统为基础的模型预测控制策略能够有效降低40.81%锂离子电池组的电流幅度,而且提高1.74%混合储能系统的工作效率。


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