锂电池-超级电容混合系统能量管理与仿真

锂电池-超级电容混合系统能量管理与仿真亢媛【摘要】为了解决储能蓄电池作为动力源应用电动汽车的单一化等不足,在对锂电池与超级电容的外部工作特性及其储能机理理论研究基础上,提出锂电池-超级电容混合电动汽车能量系统.首先基于超级电容内部化学反应与外部工作特性,提出等效电路模型,并建立了其时域状态空间模型.接下来制定脉冲电流实验方案采集电压实验数据,辨识得到准确的超级电容模型,并通过模型仿真曲线与实验曲线的对比来验证模型的准确性.然后结合电动起实际工况及电池和超级电容储能机理,提出超级电容-电池电动汽车能量管理策略,最后基于超级电容模型和电池模型,在matlab/simulink仿真实验平台搭建起超级电容-电池混合电动汽车能量仿真模型,仿真结果验证管理策略的可行性和准确性.【期刊名称】《甘肃科技》【年(卷),期】2019(035)003【总页数】4页(P63-66)【关键词】锂电池;超级电容;混合系统;能量管理;仿真【作者】亢媛【作者单位】平泉中学高三(6)班, 甘肃庆阳 744517【正文语种】中文【中图分类】TM9121 概述近年来以石油为代表的化石燃料危机和日益严重的环境污染，使得具有节能、低排放或零排放优势的动力技术获得新的生机，并受到世界各国的广泛重视。

近年来二次储能电池的快速发展使得其成为电动车最主要的动力单元，电池因其能量密度大，寿命长，工作稳定等优点，广泛应用于现代电动车储能动力系统。

电池的寿命和其本身放电深度有关，大电流充放电及高温环境下工作会明显降低锂电池工作寿命[1]，此外电动车工作的复杂工况带来的功率波动也会降低电池正常使用寿命，因此要求储能动力系统既具有能量输出特点同时又具备功率输出特性。

电池只具备能量特性，电容储能动力电池具有功率储能特性[2]，故采用具有高电力以及中度储能能力的超级电容来负担较大电流的工作输出以降低电池端工作放电深度，同时可以补偿电动车功率波动，保证电池工作在稳定状态，为了更好地适应电动车复杂运行工况，提出锂电池-超级电容电动车能量系统。

为了准确的了解这种混合储能动力系统的工作特性，更好的优化电动车电力系统能量管理及其动力最佳化分配，首先将研究重点放在建立准确可行的超级电容工作模型。

在建立其模型过程中，主要集中于两类研究：等效电路和类神经网路[3-6]。

等效电路方法不能完整准确的描述超电容工作行为特性，不具有很强的理论和实践应用研究意义。

随后许多学者提出了超电容非线性工作性能计算方法，采用神经网络建模[7-9]。

可以看出，在建立超级电容模型研究中，超级电容模型基于理论分析没有考虑其实际工作工况，缺乏实践研究应用的意义；其模型过于复杂，求解计算量大；其模型结构中参数求解需要复杂实验作为基础，缺乏广泛应用于工程实践的意义。

结合上述研究结论，本文在描述简单等效电路模型建立的基础之上，基于超级电容外工作特性分析，建立其等效电路及其时域方程，然后采用连续时间状态分析方法建立其状态空间方程，最后耦合得到其外特性等效电路模型。

建立多峰值脉冲电流实验方案，采集系统输出数据，在实验数据基础上辨识得到其模型参数值。

在充分考虑两种设备储能机理的基础上，结合电动车实际运行工况，为例提高系统能量利用效率和使用成本，提出了超级电容-电池混合电动车能量系统，然后结合实际工况，提出了混合能量系统管理策略[10-12]，最后基于建立的超级电容模型和成熟的电池模型，在matlab/simulink仿真实验平台搭建起超级电容-电池混合电动汽车能量仿真模型，仿真结果验证管理策略的可行性和准确性。

2 超级电容器等效电路模型超级电容是静电元器件，其采用电化学双层效应工作原理储存能量，一般通过优化其工作电极来提高其储能效率。

由于电极空隙的存在，其电极与电解液层次空间分布。

超级电容器建模中，由于电化学双层效应影响，单一电容等效电路模型不能准确描述其工作特性，复杂的RC网络电路可以准确描述其工作特性。

模型中电容元件通过电阻元件互相连接，电阻元件代表超级电容内部孔隙对电流的阻碍作用，其他欧姆效应发生在两电极和电解质中。

超级电容动态模型等效电路结构主要由一个大电容元件、主电路串联电阻和电感元件、两个RC网络电路。

RC网络电路描述了超级电容内部通过双层端口处电荷与电容的分布，RC网络电路的数量是弹性变化的，其数量的多少与模型的准确度呈正相关，同样增加了模型复杂度，使得模型求解过于复杂，大大增加了计算量，不适用于理论研究与工程实践。

本文选择超级电容二阶模型即两个RC网络电路模型，模型简单易于求解计算，准确描述实际工况下超级电容动态工作特性。

选择超级电容器等效电路模型如图1所示。

图1 超级电容器等效电路模型由Kirchhoff电流定律可知流过RC两端电压与电流时域关系模型为：同理可以得到电容与电感两端电压、电流时域关系模型：建立的超级电容动态模型在一个宽脉冲频率下可以准确地捕捉到其瞬态特性。

采用空间变换方法得到其连续时间状态空间状态方程[1]：采用模型耦合方法整合系统模型得到其系统输出模型为：3 超级电容模型辨识为了求解得到模型中未知参数，需要得到足够有效实验数据，采用现代辨识理论求解得到模型未知参数，辨识得到超级电容准确模型。

首先在实验室环境下，搭建起超级电容充放电实验平台，如图2所示。

图2 超级电容实验平台超级电容模型中电容和电感原件，属于瞬态性储能元件，在其瞬态变化过程中可以准确得到其工作特性，电动车实际工况更接近于功率波动模式，超级电容作为功率波动补偿设备，其输充电电流更接近于波动脉冲模式，基于模型理论和实际工况分析，制定得到超级电容多峰值脉冲实验方案，如图3所示。

图3 超级电容多峰值脉冲实验方案求解模型参数过程中，基于电容平均分配电压和电感不分得电压的原则选择模型辨识初值，得到模型参数如表1所示。

表1 超级电容模型参数辨识结果模型参数辨识结果参数 C0 RS C1 C2 R1 R2 L数值 2712 0.00082 627 1843 0.00031 0.00039 54图4给出了超级电容实验数据与其求解得到模型仿真数据对比曲线，由图可知，真实实验数据和模型仿真数据非常接近，验证了辨识模型的准确性。

图4 超级电容实验数据与模型仿真数据对比曲线4 超级电容-电池混合电源能量管理4.1 超级电容作为辅助电源处于供电模式超级电容作为辅助电源处于供电模式，即电池存有电能，但其输出功率小于负载工作所需功率，此时超级电容作为电池辅助电源给负载供电：1）电池放电电压下降较快，此时说明电池内部工作在强极化状态，降低放电电流即降低电池输出功率，超级电容器工作在放电模式下输出峰值功率保证负载正常工作；2）当汽车处于启动加速爬坡工作模式下时，即使电池工作在大电流放电工作模式下，其输出功率仍小于负载工作所需功率，此时超级电容工作在放电工作模式下，输出峰值功率，满足极限工况下负载工作所需功率；3）电池长时间工作在大功率模式下，其工作产生的热量，使其温度达到其工作界限温度值，此时需要降低电池输出功率使电池温度下降，此时超级电容工作在放电工作模式下，输出功率满足负载工作所需功率。

超级电容作为独立供电电源处于供电模式下，此时电池放电电压达到其放电截止电压即电池电量余量认为为零，如果电池继续工作在放电模式下，其处于过放状态下，破坏其内部结构和活化物质，缩短其使用寿命，为了避免电池工作在此模式下，汽车电动机和电池处于静置工作模式下，此时超级电容作为独立电源，工作在放电模式下，给汽车辅助设备（仪表、车灯、空调等）负载供电。

4.2 超级电容工作在充电模式1）汽车工作在减速或刹车状态下时，为了使电池工作在输出恒定功率状态，避免输出功率的波动给电池带来损害，此时电池输出功率大于负载工作所需功率，剩余功率由超级电容储存，此时超级电容工作在充电模式；2）汽车刹车时，为了提高能量利用率，电动机反转，此时电动机由负载工作模式转化为电源工作模式，这个过程分为两部分，开始为了避免电池输出功率波动给电池带来损害，电池输出功率和电动机反转输出功率给超级电容充电，然后电池工作由放电模式切换到充电模式，电动机反转输出功率主要给电池充电，超过电池安全充电功率的那部分功率由超级电容储存；3）传统电池充电策略采用的是三段式充电方式，这种充电方式存在很多弊端，快速充电与电池储存利用率存在负相关性，即充电越快，其储存空间利用率越低。

为了实现电池快速充电，提高电池空间储存效率，本文提出采用超级电容并联分流脉冲快速充电控制策略，即电池工作在大电流恒流充电模式下，当电池电压增加速度达到一定值时，电池内部化学反应产生局部过反应现象，此时电池极化严重，此时采用超级电容分流模式，超级电容工作在充电模式；4）电动机长期静置状态下，电池自放电率较小，但由于超级电容自放电率过高，长期静置状态下，其电量流失严重，此时电池放电给超级电容充电，保持超级电容有剩余电量，延长其使用寿命。

5 系统仿真分析根据前文求解得到的超级电容模型，在matlab/simulink中搭建起了超级电容模型模块、电池模型模块、DC-DC变换器整流模块，在模拟各模块工作特性的同时，整合成混合供电-储能系统仿真模型。

基于求解所得数学模型、电池模型和变换器在simulink环境下建立起系统仿真模型，采用先进的优化算法编写matlab程序，基于系统仿真结果，分析各模块配置比例，为整个系统的优化设计提供定量依据。

如图5所示，仿真开始阶段模拟电动汽车启动工况下，电动车工作功率主要由超级电容释放储能提供大功率，超级电容具有功率性储能特性可以提供大功率变化速率，电池具有能量性储能特性，不具有功率性，较大的功率变化会损害其正常使用寿命。

随着启动阶段的完成，电池逐渐达到其正常工作状态，超级电容输出功率逐渐下降，在下降过程中，超级电容提供波动功率补偿，保证电池输出功率稳定在一个正常工况范围之内，避免功率波动给影响电池正常使用寿命。

图6给出电池与超级电容输出电流对比曲线，超级电容输出电流变化时间短范围广，而电池输出电流变化慢，较稳定。

图7绘制出电池输出电压曲线及其局部放大图，超级电容输出电压曲线及其局部放大图，超级电容可以输出变化快幅值大的波动功率，其输出电压稳定在一定范围内，可以给电动汽车提供稳定电压，保证系统正常高效工作。

图5 模拟实际工况下，仿真得到三种功率曲线图6 仿真得到超级电容与电池输出电流曲线图7 仿真得到超级电容与电池输出电压曲线仿真过程中，为了使系统优化更加贴合实际工况及复杂多变的负载工作需要，采用多种工况进行仿真，采集仿真数据，绘制工作特性曲线，分析工作特性结果，验证优化方案的可行性。

5 结论基于建立准确模型，以优化设计为目标，通过整合各模块系统仿真获得最优配置原始方案，主要工作如下：1）基于超级电容结构与工作特性理论分析，简化得到超级电容等效电路，采用电路分析方法得到超级电容等效电路时域模型，然后采用空间方程分析方法得到其空间状态方程模型。