半主动式混合储能系统的控制与能量管理方法研究

发布时间：2020-06-06 21:15

【摘要】：随着社会的快速发展,汽车已经成为人们生活不可替代的产品,方便人们的生活,但是汽车排放的尾气,会加重环境污染问题,同时,也会加剧能源危机问题。发展新能源汽车可以有效解决传统汽车带来的问题,当前纯电动车和混合动力汽车发展尤为迅速。新能源汽车的关键部件是储能系统,如何提高其综合性能是亟待解决的问题。电池低温特性差、容量衰减快、寿命短,其单独作为能量来源使系统成本变高。随着超级电容(Super Capacitor,SC)储能技术的快速发展,其具有功率密度高、低温特性好等优点可应用到混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)中,与电池互补共同作为动力源。电池/超级电容在HESS中有多种连接方式,本文将针对DC/DC变换器与超级电容串联的半主动式构型展开研究。首先,分别分析储能元件的工作原理及相关特性,建立内阻等效模型;其次分析混合储能系统的拓扑结构,包括被动式、主动式和半主动式构型,综合考虑性能特点,选取合适构型;再次,针对半主动式混合储能系统通过电流电压方程建立状态空间平均模型,确定稳态,建立扰动模型,为增强系统稳定性,充分考虑系统存在饱和及时滞,修改模型;最后,利用凸包函数处理系统存在饱和的情况,针对系统有限时间稳定和李雅普诺夫(Lyapunov)渐进稳定,构造相应Lyaounov-Krasovskii函数,利用线性矩阵不等式将优化问题转化为数值问题,得到稳定性条件,对比分析仿真结果,选取后者作为本文控制算法的理论基础。本文将设定电池端参考电流分别为1.5A,2.4A,2.7A,2.8A,3A,总线电压为20V,轻载和重载分别设定为220Ω和4Ω,利用Matlab完成控制器仿真,得到电流电压曲线,验证在负载变化时系统对储能元件电流和总线电压的鲁棒控制。针对混合储能系统的能量管理,采用模糊逻辑控制器,根据负载需求功率、储能元件的荷点状态(State Of Charge,SOC),通过模糊逻辑控制器得到储能元件二者的需求功率,完成能量分配。基于ADVISOR中已存在的纯电动汽车顶层模型进行二次开发,搭建含HESS的纯电动车Simulink模型,配置相关参数,在美国城市工况(UDDS)下进行仿真,验证能量管理策略的有效性。本文最终对混合储能系统优化了控制算法,实现电池/超级电容电流和母线电压的鲁棒控制,同时也通过设计模糊逻辑控制器提高系统能量利用效率,并通过仿真验证算法的有效性。
【图文】：

锂电池,工作原理图

图 2-1 锂电池工作原理图Li+电池除了具有以前的二次电池的氧化-还原反应，还存在离子嵌入和脱嵌的，由于电池两极存在电压差，锂离子会在电极材料内部的“空间”进入或离开，进入或离开不会改变电极材料晶格结构，因此锂离子电池的电极的可逆性较Li+电池的性能在许多方面比其余的二次电池要好，例如：其单体电压高、高密度、低自放电率、能够在较宽的温度范围内工作、具有较长的使用寿命、以的速度进行充放电、无记忆、清洁无污染等。目前它已广泛应用于移动通信及电子产品、电动汽车、航空航天等方面。.2 锂离子电池内阻等效模型和容量特性由于本文主侧重于 HESS 的性能，电池模型将使用最常用的内阻模型，它的结理想电压源和等效电阻组成。电压源代表电动势，电阻代表寄生串联电阻。模构如图 2-2 所示，可以用以下公式求得( )/R V E I(2-4)

锂电池,仿真模型,模块,开路电压

电子科技大学硕士学位论文于以上原理，可以在 ADVISOR 中建立仿真模型，如图 2-3 所示。几个模块，(a)开路电压和内阻计算模块；(b)功率限制模块；(c)电流)SOC 估算模块以及；(e)热模型模块。通过该模型可以得到电池电流OC 值，根据功率需求大小计算出开路电压和内阻，并确保电池工作范围内。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U469.7

【参考文献】