英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
混合动力汽车健康意识充电管理现状
电能储存系统
|
Qing Xie, Xue Lin, Yanzhi Wang, and Massoud Pedram |
Donghwa Shin, and Naehyuck Chang |
|
Department of Electrical Engineering |
Department of EECS/CSE |
|
University of Southern California |
Seoul National University |
|
Los Angeles, CA, 90089 |
Seoul, Korea 151-744 |
|
{xqing, xuelin, yanzhiwa, pedram}@usc.edu |
{dhshin, naehyuck}@elpl.snu.ac.kr |
摘要
本文首次提出了一种有效的充电管理算法，该算法在提高混合动力电能存储（HEES）系统整体循环效率的同时，延长了电池元件的循环寿命。特别地，它建议将交叉滤波器应用于电源和负载剖面。这种滤波技术的目标是使电池组能够稳定地（即，低变化）从电源接收能量和/或向负载设备提供能量，同时将尖峰（即，高变化）电源或需求留给超级电容器组处理。为了最大限度地提高HEES系统的循环效率，提出并解决了一个数学问题，以确定最佳的充放电电流分布和电荷转移互连电压，同时考虑了EES元件和功率转换器的功率损耗。为了尽可能降低HEES系统中电池阵列的健康状态（SOH）退化，我们利用了两个事实：如果（i）SOC摆动较小，电池的SOH更好地保持，并且（ii）相同的SOC摆动发生在较低的平均SOC。然后利用超级电容器组来处理电源或需求的高频分量，可以减小电池组的SOC摆动，降低电池组的SOC。第二个有益的影响是，对于输送给负载装置的固定能量和给定能量，HEES系统整体充电循环效率的提高将进一步降低电池阵列的平均SOC和SOC摆动。对锂离子电池-超级电容器组HEES系统提出的充电管理算法进行了仿真，并与仅由锂离子电池组成的均质EES系统进行了比较。实验结果表明，HEES系统的性能显著提高，循环效率和循环寿命分别提高了21.9%和4.82x。
关键词：混合式电能储存系统；充电管理；健康状况。
一、引言
电能的产生和消耗通常不匹配。电能存储（EES）系统可以提高电能的可用性，缓解供需不匹配，并降低满足峰值电力需求所需的发电能力。EES系统的性能指标包括循环效率、循环寿命、能量密度、功率容量、单位容量成本、环境影响（包括寿命终止处置成本）。由于现有的EES元件都不能满足所有要求的性能指标，例如高功率/能量密度、单位容量的低成本/重量、高往返效率和长周期寿命。这种限制阻碍了大规模EES系统的快速和广泛传播。
这项研究是由国家科学基金会资助的，由韩国韩国21项目、IC设计教育中心（IDEC）和MNEST资助的中期职业研究计划（No.2010－017680）资助。
978-3-9810801-8-6/日期12/）2012 EDAA
另一方面，混合EES（HEES）系统由不同的EES元素组成，每种类型都有其独特的优点和缺点。适当的控制策略可以利用单个元素类型的优势，同时隐藏其缺点。通过这种方式，我们可以实现卓越的总体性能指标，克服单个EES组件的限制[1]~[4]。在这些性能指标中，EES元素的周期寿命是EES系统设计者应该考虑的最重要的指标之一。循环寿命与健康状态（SOH）直接相关，健康状态定义为循环老化的EES元件的完全充电容量（FCC）与其设计容量（DC）之比。该指标捕获了EES元素的一般情况，以及与初始状态相比（即与新的EES元素相比）存储和传递能量的能力。一些研究人员致力于延长EES元素的寿命[5]~[8]。但是，它们只关注单个EES元素或由单个类型的EES元素数组组成的同构EES系统。
与单一要素或同质的EES系统不同，HEES系统中EES要素的周期寿命在很大程度上取决于HEES收费管理政策。本文介绍了HEES系统中EES元件的周期寿命，并提出了一种费用管理策略，包括配置、更换和迁移，以延长EES元件的周期寿命。我们致力于延长HEES系统的循环寿命，提高循环效率。本文首先介绍了HEES系统的一般结构，并建立了相应的电源变换器、电池元件和超级电容器元件的电路模型。我们采用了[9]的循环寿命模型，并根据不同的平均充电状态（SOC，定义为电池中剩余的可用容量，表示为额定容量的百分比）和SOC摆动（定义为充电/放电循环中的SOC变化）确定了SOH降解率。我们考虑了EES元件内阻的功耗、功率转换器的功率损耗以及电池元件的额定容量效应。
我们将目标HEES系统简化为两组架构，以专注于SOH感知充电管理的理念，即使用超级电容器组作为缓冲，以刮去电源或负载配置文件的尖峰部分，以便电池组能够稳定地从电源接收能量或向负载设备提供能量。在充放电过程中，我们通过三元搜索来确定电池组和超级电容器组的最佳CTI电压和随后的充放电电流，从而实现高循环效率。除提高循环效率外，还降低了电池组的SOC摆动和平均SOC，减轻了SOH的劣化。我们在一个样本HEES系统上实现了算法，并与一个典型的均匀EES系统进行了比较。实验结果表明，循环效率和循环寿命分别提高了21.9%和4.82x。
二.背景
A.相关工作
电池的SOH很难估计，因为它与长期电化学反应导致的容量衰减效应（即SOH降解）有关。容量衰减与电池的载流子浓度损失和内阻增长有关。这些影响很大程度上取决于电池的工作条件，如充电和放电电流、循环次数、SOC摆动、平均SOC和工作温度[10]~[12]。电池的特性需要耗时的实验。因此，数学模型有助于我们降低估计SOH退化的时间复杂性。基于电化学的模型[13]~[15]通常是准确的，但不容易实现。[9]中的SOH退化模型与[12]中的实际数据吻合良好，适用于HEES系统。
适当控制充放电过程是提高电池循环寿命的一种有代表性的方法。典型的锂离子电池通常是通过两个连续的步骤充电，即恒流步骤（cc）和恒压步骤（cv）。每一步都会影响充电时间和电池寿命。为了提高循环寿命[5]~[8]，引入了几种技术。然而，尽管这些工作是有效的，它们都集中在单一类型的EES元素或同质的EES系统上。
B.HEES系统架构和费用管理
图1：费用管理问题的概念图
图1显示了HEES系统架构的简化图[1]。HEES系统由多个通过电荷转移互连（CTI）相互连接的异构EES银行组成。EES组包括EES元件阵列、放电控制充电器和充电控制充电器。每个EES阵列由多个具有相同SOC的同质EES元件组成，因为单个EES元件具有低电压额定值和小能量容量。在这两个充电器中，一次只能打开其中一个充电器，以避免同时对EES阵列进行充电和放电。
为了简单起见，在图1中，我们只显示了两个具有代表性的EES银行：电池银行和超级电容器银行。在时间t，我们分别用和表示电池组的（OCV）和闭路终端电压（CCV）。由于电池组的内阻，这两个电压通常不相等。第III.A节给出了和之间的关系。我们通过CTI和相应充电器之间的关系表示电池阵列Iarray,B(t)及其充电器之间的阵列电流Ibank,B(t)。Iarray,B(t)和Ibank,B(t)可以是正的（电流从CTI到电池阵列）或负的（电流从电池阵列到CTI）。如第III.B节所示，相应控制充电器的功率损失由其输入和输出电压和电流函数Pc,B(t)表示。类似的符号也用于超级电容器组，将下标B替换为S。负载装置和电源通过DC-DC变换器连接到HEES系统，以保持电压水平兼容性。我们表示直流-直流变换器的功率损耗Pd,Soad(t) 和 Pd,crc(t)，负载装置和电源的电压和电流分别表示为VSoad(t), ISoad(t) 和 Vcrc(t), Icrc(t)，以及通过CTI的电流Icrc(t)。充电器有内部反馈控制回路，以保持其稳定输出，并有一个中央HEES控制器（图中未显示）给出设定点。此外，HEES控制器有一个外部反馈回路，用于监测CTI电压，表示为VCTI(t)。这个设置允许我们维持充电电流和CTI电压。,,
三、系统模型
A.EES元素数组
图2：锂离子电池电路模型。
本文以锂离子电池和超级电容器两个具有代表性的EES元件为研究对象，研究了HEES系统中的电荷管理问题。我们在[16]中对锂离子电池使用了一个电路模型，它适用于开发一个数学公式。这个 图2显示了锂离子电池的电路模型。是电池SOC的电压表达式，它与电池的OCV通过非线性关系，由下式得出：
其中，是经验参数[17]。电池组OCV和CCV（充电过程）之间的关系，用和表示，由下式给出：
其中，和是跨内部电容的电压降，是阵列电流，是内部串联电阻。类似的关系也适用于内部电容可以忽略不计的超级电容器阵列。
电池的速率-容量效应描述了电池单元阵列的有效放电时间强烈依赖于阵列放电电流的事实。Peukert定律[18]表明，可用放电时间与放电电流之间的经验关系可以表示为，其中是额定容量（以A·h为单位，通常定义为一安培放电率下的容量），是实际阵列放电电流，是放电时间，是Peukert公司安装（通常在1.1和1.3之间，用于放电）。因此，对于放电过程，从电池组向电路提供功率的电源，由以下公式给出：
其中 Ieq,B(t)是电池内部的等效电流。速率-容量效应在充电过程中同样会导致功率损耗。当用功率的电源充电时，可将电源储存到电池组中，具体如下：
式中，yB,c是充电用的普克特常数，通常在0.8~0.9之间。类似的关系也可以应用于超级电容器阵列,
但速率-容量效应可以忽略不计，即在（3）和（4）中yC,c = yC,d = 1
B.电源转换器
图3：降压升压转换器电路模型[19.]
充电器是一种开关变换器，可以将其输出电流调节到所需值。目标HEES使用PWM（脉宽调制）4开关降压升压开关转换器作为充电器，如图3所示。充电器的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流分别用Vin、Iin和Vout、Iout表示。取决于Vin和Vout。充电器有两种工作模式：降压模式（if Vin gt; Vout）和增压模式。功率损失Pc包括三个组成部分：传导损耗Pcdct、开关损耗Pcw和控制器损耗PctrS [19]。功率损失Pc由以下公式给出：-
|
降压模式功率损失组件由以下公式给出： |
|
其中D = Vout/Vin为脉宽调制占空比，∆I = Vout ∙ (1 minus; D)/(Lf ∙ fnof;c)为最大电流纹波；fnof;c为开关频率；是控制器的工作电流；RL 与RC 是电感L和电容C的等效串联电阻，Rcwi和 Qcwi分别是图3中ith MOSFET开关的导通电阻和栅极电荷。增压模式功率损失组件如下：
其中D = 1 minus; Vin/Vout 和∆I = Vin ∙ D/(Lf ∙ fnof;c)。
我们对负载用的DC-DC变换器使用相同的模型、设备和电源。直流-直流变换器的功率
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[609504]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
