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基于提高電池壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)匹配及控制策略研究

提出一種應(yīng)用不同混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）的最優(yōu)匹配表述方式。HESS是由鋰電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，超級(jí)電容壽命長、功率高的特點(diǎn)彌補(bǔ)了電池不足。該系統(tǒng)主要用于需求高能量高功率設(shè)備的混合動(dòng)力汽車等。

復(fù)合電源設(shè)計(jì)的目的是能同時(shí)滿足車輛能量和功率需求，但設(shè)計(jì)過程會(huì)出現(xiàn)電池或超級(jí)電容規(guī)格過大，從而造成質(zhì)量大、成本高等現(xiàn)象，為此提供了基于儲(chǔ)能系統(tǒng)最初成本和10年電池更新成本的最佳匹配表達(dá)式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于電池更新成本，研究了LiFePO4電池容量衰減公式。計(jì)算了2.6Ah LiFePO4電池不同放電電流的容量，此容量定義為在某一電流下電池容量降至總?cè)萘?0%時(shí)的放電量?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的工作特性依賴于車輛路況，因此在某一具體循環(huán)工況下計(jì)算電池容量損失。10年（每天8min，每年250工作日）的電池容量損失則在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到。若低于此值，表明10年內(nèi)不需更換電池；若出現(xiàn)高于此值的電池單體，則需要更換電池，其數(shù)量表示10年內(nèi)電池更換次數(shù)。

HESS在串聯(lián)混合動(dòng)力客車上的試驗(yàn)應(yīng)用表明，通過增加超級(jí)電容，鋰電池壽命得到明顯提升，但HESS最優(yōu)規(guī)格依賴客車行駛工況。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中考慮HESS的功率曲線變化可進(jìn)一步降低成本，并在3種不同行駛工況下驗(yàn)證了此效果。

通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法應(yīng)用到基于循環(huán)工況的功率分布控制策略（PDCS）中，形成最優(yōu)PDCS。超級(jí)電容的功率和電流由前一步及當(dāng)前超級(jí)電容荷電狀態(tài)計(jì)算得到。電池功率由每時(shí)刻車輛需求功率和超級(jí)電容功率計(jì)算得到。通過控制最佳電池電容功率分配得到最優(yōu)的復(fù)合電源成本。類似傳統(tǒng)的基于超級(jí)電容的PDCS，最優(yōu)PDCS分析了充電和放電情況下復(fù)合電源行為案例。其中，充電過程中區(qū)域2和區(qū)域4范圍內(nèi)的超級(jí)電容功率達(dá)到極限值，控制超級(jí)電容放電使其吸收更多電荷，是最優(yōu)PDCS獨(dú)有的特點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果證明，最優(yōu)PDCS下LiFePO4電池壽命有了很大提高，降低了整車成本。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2013年第244卷

作者：Masoud Masih-Tehrani

編譯：謝秀磊