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使用半控制转换器的超级电容器/电池混合储能系统的简化电源管理策略
J.M.A Curti1 , X.Huang2, R. Minaki3 ,Y. Hori4
1 2 4Department of Advanced Energy,The University of Tokyo
5-1-5, Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, 277-8561 Japan
Email:curti@hori.k.u-tokyo.ac.jpl1,huang@hori.k.u-tokyo.ac.jp2,hori@k.u-tokyo.ac.jp 4
3Department of Electrical Engineering, The University of Tokyo
7-3-1 Hongo, Bunkyo, Tokyo, 113-8656, Japan
Email: minaki@hori.k.u-tokyo.ac.jp3
摘要：混合动力储能系统（HESS）是电动汽车（EV）中常用的一种储能装置。超级电容器（SC）由于具有高充电/放电速率，高功率密度，与电池相比使用寿命长以及支持高应力的能力，因此与HES结合使用时是最佳解决方案。在这种HESS配置中需要DC-DC转换器。与最常用类型的转换器相比，半控制转换器（HCC）是一款出色的解决方案，因为其成本低且效率相似。本文提出了一种基于电流控制和滤波器去耦技术的SC和电池之间的功率分配策略，以及评估去耦频率的方法。所提出的策略在更快和更简单的实现方面超越了其他方法，例如模糊控制或神经网络。
1 命名法
不受控制的超级电容器
受控制的超级电容器
不受控制的超级电容器的容量
受控制的超级电容器的容量
SC，1的能量
SC，0的能量
电池的电压
不受控制的超级电容器的电压
受控制的超级电容器的电压
不受控制的超级电容器的电流
受控制的超级电容器的电流
电池电流
主电感器中的电流
负载电流
D 主电路的负载
2 介绍
通常应用于电动汽车（EV）的这种能量存储系统是一种解决由于温室气体零排放而导致的环境问题的方案之一。然而，这种基于电池（镍氢电池，铅酸电池，锂离子电池等等）的广泛使用的能量存储系统具有成本高，充电时间长和寿命相对较短等缺点。因此，消费者通常选择经济上可行的但非生态的能源系统方式。
除了改进存储设备技术之外，针对该问题的一个解决方案是使用混合能量存储系统（HESS)。HESS基于至少两种具有组合特征的储能装置的组合。在这里，它分析了超级电容器（SC）和电池的著名混合能量储存系统，也在[1]和[2]中进行了研究。
当比较超级电容器和用于储能系统的最常见类型的电池时，主要优点是：
bull;高功率密度;
bull;无限次充电和放电;
bull;快速充电;
bull;轻松估算其能量水平;
bull;制造过程中不使用重金属。
但是，超级电容器也存在一些缺点：
bull;低能量密度;
bull;单元电压范围低;
bull;高自放电。
尽管有这些优势，但由于其能量密度较低，因此创建一个由超级电容器完全供电的商业电动汽车还不可能。然而，当应用于带有电池的混合能量储存系统时，超级电容器提供高充电/放电速率和高功率密度等特性，并且该电池为HESS提供高能量特性。因此，这种组合对EV的自主性有直接影响，因为超级电容器可以从再生制动中回收比正常电池更多的能量。而且，超级电容器应用降低了电池的压力[3]。
为了连接两个能量存储设备，DC-DC转换器是必要的。根据几种结构和拓扑，在[4]中分析了一个系统，该系统为使用超级电容器和电池的HESS系统产生最佳成本和收益。采用这种方法后，在[5]中提出的半控制转换器（HCC），提供了一个特殊的解决方案，因为它专注于减少元件尺寸和减少损耗，与应用于HESS的其他常见转换器相同的效率。
此外，为了应用和增强混合能量储存系统，有必要采用电源管理策略来从两个能量存储设备中提取最佳性能。因此，本文在用HCC对该系统的电流进行控制的时，对超级电容器和电池之间的能量分配策略进行了研究。
在[6]、[8]中对使用燃料电池和超级电容器的不同混合能量储存系统进行了几项关于功率能量管理的研究。该方法与其他控制策略不同，因为它允许通过使用每个源的频率解耦来调节直流母线电压。特别是这项工作旨在简化HESS结构和电源管理控制，并具有相当高的效率。
在第3节中，混合能量储存系统的结构将由于其对系统建模的重要性被讨论，并且HCC[5]与超级电容器/电池的连接有着相互作用。
在第4节中，介绍了混合能量储存系统的能量管理策略，以及使用HCC控制的方法和应用。第5部分介绍了所取得的实验结果，最后是第6部分的结论。
3 HESS结构
关于HESS的一个重要方面是拓扑结构，可以从几种类型中选择[7]。 但根据文献[4]，最佳拓扑结构是图1所示的拓扑结构，因为它允许使用单个DC-DC转换器的恒定直流链路实现双向功率流。超级电容器的电压与直流母线电压无关，可以实现更宽的电压范围。
图1 HESS拓扑结构
半控制转换器将超级电容器分成两组，SCO（不受控制）和SC1（受控制），分别显示在图2中。 通过控制调整SC1，转换器需要更小的部件，这直接影响系统损耗。因此，在保持HESS系统相同效率的同时，系统的总损耗下降。
图2 HCC结构 [5]
HCC与半桥转换器是混合能量储存系统应用中最常用的dc-dc转换器，在[5]中有详细介绍。这表明了在成比例的混合能量储存系统中，与半桥（HB）相比，HCC可以采用接近一半尺寸的电感器，并且也可以使用具有较低额定电压的开关。 尽管需要平衡电路来平衡受控（SC1）和非受控（SCO）组之间的载荷，但考虑到与HCC主电路相比，这是尺寸较小的组件，其对转换器总成本的影响很低。
HCC的优势：
bull;HCC系统中的成本降低，因为此组件比HB拓扑中的组件要小;
bull;系统占用的空间较小;
bull;它的损耗比HB拓扑中的损耗要小。
HCC的缺点：
bull;HC系统需要预充电到最低电压水平以确保电流控制;
bull;HCC系统需要调节器。
图3 半控制转换器的完整结构
通过能量源支配，这意味着功能的原则取决于以下条件：
（1）
（2）
（3）
从转换器器的拓扑结构可推导出转换器的输入功率和输出功率之间的关系：
（4）
应用于HCC的控制旨在控制电流，这在图4的控制图中得到了证明。当前的控制基于前馈与反馈控制相结合。
图4 HCC控制图
4 能量管理系统
应用HESS的下一步是满足混合能量储存系统能源管理控制的一些要求。该主题的研究可以分为三大领域：
bull;系统管理：这实际上是混合能量储存系统管理控制的主要部分，因为它对转换器中开关合适的占空比控制进行了确定。这种控制在微秒内确定。
bull;能量管理：它代表两个能量存储装置之间的能量分配控制，或换句话说，每个能量存储装置需要提供给负载的功率份额。这是一个以毫秒为单位确定的中期目标。
bull;能源管理：这是一个保证两种能量存储装置都工作在合适的温度、充电状态（SoC）和放电比率下的控制系统。这代表了混合能量储存系统的长期目标，其控制是以秒为单位确定的。
目前的研究提出了一个能量管理策略，以提高使用HCC的混合能量储存系统。在这个战略中，最佳性能根据这两个能量源的组合特征而从其中提取。
需要强调超级电容器的高功率密度，有着提供快速负载的期望，并增加从再生制动中回收的能量。另一方面，超级电容器没有高能量密度，因此通常不能承受长时间的放电。此外，重要的是防止蓄电池受到可能由通过不适当的电流放电所带来的压力，这会增加其内部温度，影响其寿命预期[3]。
图5 HESS管理
4.1 电池放电模型
根据普克特定律，电池的放电容量可以用速率表示：
其中是电池的标称容量，是特定时间t内的电池放电电流,k是普克特常数,根据电池类型而不同。因此，最大放电时间可以表示为（5）所示。
（5）
电池在有限的时间只能承受最大放电电流，但在高放电电流的极端情况下，电池内部温度会升高。主要原因是内阻对功耗的影响，可以用充电状态[8]来表示。
（6）
电池的开路电压和电池的内部电阻与电池的充电状态严格相关，而导体电阻是恒定的。因此，从端电压提取的功率根据（7）来表示，这也表示功率在电池内部的损耗。
（7）
假定电池的内部温度与电池寿命密切相关，则应考虑两种可能性以避免电池内部的高功耗。一个是限制电池的最大放电量,使用另一种储能装置来提供剩余电力。第二种方法是控制电池提供这种最大放电的时间，使用与电池一起工作的第二能量存储装置以提供平稳的放电模式。
4.2 使用HCC的超级电容器放电模型
超级电容器是具有高放电率的装置，其寿命影响较小。因此，在混合能量储存系统中采用具有这种类型的能量的储能装置可以增加电池在诸如电动汽车这种高放电状态产品中使用的前景。
然而，尽管预计的最大电流放电容易通过超级电容器实现，但总的可用于支持电池的能量是有限的。超级电容器中的可用能量表示为：
通过使用HCC，系统中使用的总能量被定义为SCO和SC1中的能量的总和。
（8）
两个超级电容器组电压应符合（1）和（2）所述系统的要求。然后，为了最大和最小的能量存储，假设：
（9）
（10）
在最低能量水平下，假定平衡电路的工作原理[5]，它们都收敛于超级电容器组在放电过程中达到相同的电压水平。因此，超级电容器组的最大储能量表示为：
（11）
这种关系对于HESS项目很重要，因为它根据超级电容器组总容量和直流电路电压指定了所需的能量。此外，它决定了在电源管理策略中可用于供应电池的总能量。
4.3 能量管理控制
在前面的章节中，描述了两个减少电池内部功耗的操作。一种是基于限制电池放电在一定限度内，让超级电容器承担剩余的电力需求。然而，这里提出了一种控制电池提供最大放电电流的时间的方法。
在此电源管理控制中，通过频率解耦技术将提供给负载的电源实时分离，该技术将负载的瞬态部分传输至超级电容组。 因此，电池可以表现平稳而没有电流峰值的放电。
如（12）所示，这种方法是通过确定HCC占空比的控制来实现的，，如图4所示，与滤波信号严格相关，如（12）所示。
（12）
通过规定这个参考，来自电池的电流根据（3），可以表示为（l3）。
（13）
解耦频率用于能量分配控制，并通过修改它，使得超级电容器和电池的参与度都发生变化。这在图7中得到验证，其中使用不同的解耦频率来分析阶跃响应的系统行为。
图6 能量分配阶跃响应
注意到通过降低这个频率，超级电容组的参与度增加。同样地，增加解耦频率可以增加电池的参与度并，且遵守式（3）的关系。
此外，调整解耦频率可以提供根据混合能量储存系统充电状态（SoC）确定最佳值的手段。但为此目的，重要的是分析混合能量储存系统是否能够在低充电状态和高放电要求的最坏情况下运行。
因此，定义解耦频率具有最小值和最大值，具有以下特征：
bull;：由于充电状态状态较低，电池使用率最低时的解耦频率。
bull;：在电池充电状态达到最大值时，超级电容器的利用率应该最小时的解耦频率。lt;
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