申永鵬，孫嵩楠，劉東奇，孫建彬，趙 俊

車(chē)載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)Symlets小波變換能量管理方法

申永鵬1，孫嵩楠1，劉東奇2，孫建彬1，趙 俊1

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

電動(dòng)汽車(chē)；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；鋰離子動(dòng)力電池；超級(jí)電容；Symlets小波變換

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于燃油汽車(chē)具有效率高、零排放等優(yōu)點(diǎn)，因此受到越來(lái)越多國(guó)家的重視[1-6]。理想的電動(dòng)汽車(chē)都希望能具備長(zhǎng)的續(xù)航里程和良好的動(dòng)力性能，這就意味著儲(chǔ)能系統(tǒng)需要同時(shí)具備高能量密度和高功率密度[7]。鋰離子動(dòng)力電池具有高能量密度、低自放電效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但是高倍率充放電會(huì)導(dǎo)致其容量和壽命的衰減[8-9]。超級(jí)電容具有功率密度高、充電時(shí)間短和循環(huán)壽命高的優(yōu)點(diǎn)，但是能量密度較低，難以滿足車(chē)輛的續(xù)航里程需求[10-11]。因此，由鋰離子動(dòng)力電池和超級(jí)電容構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)兼具高能量密度和高功率密度的互補(bǔ)特性，可滿足電動(dòng)汽車(chē)需求[12-14]。

電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)功率需求由高頻暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量構(gòu)成。實(shí)際測(cè)量表明，電動(dòng)汽車(chē)直流母線電流存在10 Hz到10 kHz的電流擾動(dòng)，并且隨著電流頻率的增加，電池阻抗將會(huì)變大，容量衰減現(xiàn)象也會(huì)加劇[15]。X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)表明，高頻交流擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電池電極表面膜的加厚[16]。當(dāng)鋰離子動(dòng)力電池承受高頻功率需求時(shí)，鋰離子無(wú)法在陽(yáng)極和陰極之間快速地遷移，將在電極表面以金屬鋰的形式沉積，最終導(dǎo)致游離的鋰離子減少，形成不可逆的容量損失，甚至導(dǎo)致電極短路(雙層電容效應(yīng))[17-18]。因此，如何實(shí)現(xiàn)功率高頻暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量在超級(jí)電容和鋰離子動(dòng)力電池之間的功率分流，是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

目前，邏輯門(mén)限控制、模型預(yù)測(cè)控制和模糊邏輯控制等控制策略在電動(dòng)汽車(chē)能量管理方面已經(jīng)得到初步應(yīng)用[19]。文獻(xiàn)[20-21]使用邏輯門(mén)限控制合理分配電池和超級(jí)電容的輸出，可滿足不同功率需求下的功率輸出。文獻(xiàn)[22]利用模型預(yù)測(cè)控制，有效減小電池電流的幅值和波動(dòng)，使電池壽命延長(zhǎng)了17.81%。文獻(xiàn)[23]采用模糊邏輯控制降低了電池充放電強(qiáng)度，減少了系統(tǒng)的能量損耗。文獻(xiàn)[24]提出的模糊邏輯控制策略能減小鋰離子動(dòng)力電池的最大充放電電流，提高電池的安全性，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。文獻(xiàn)[25]提出的非線性魯棒分?jǐn)?shù)階控制策略能快速跟蹤負(fù)荷需求變化，提升電動(dòng)汽車(chē)對(duì)需求側(cè)的響應(yīng)速度及性能。盡管以上混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法在功率分配、續(xù)航里程提升以及降低電池放電強(qiáng)度等方面取得一定效果，但是并未針對(duì)性地消除高頻功率需求對(duì)鋰離子動(dòng)力電池性能產(chǎn)生的負(fù)面影響，一定程度上限制了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合性能。

本文在分析由鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容和多端口雙向DC/DC變換器構(gòu)成的車(chē)載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作特性的基礎(chǔ)之上，提出了基于Symlets小波變換的車(chē)載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分流方法，并給出了小波分解階數(shù)的計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)功率需求信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高頻暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量在能量型儲(chǔ)能裝置和功率型儲(chǔ)能裝置之間的分配，由超級(jí)電容響應(yīng)高頻大電流分量，鋰離子動(dòng)力電池響應(yīng)低頻功率需求，使鋰離子動(dòng)力電池免受高頻負(fù)載需求變化而引起的“雙層電容效應(yīng)”的影響，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

所研究的由鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容和多端口雙向DC/DC變換器構(gòu)成的車(chē)載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由電壓閉環(huán)控制器和功率電路(a)、電流閉環(huán)控制器和功率電路(b)以及斷路器構(gòu)成。功率電路(b)通過(guò)電流閉環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池輸出電流的精確控制；功率電路(a)在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)外加電壓閉環(huán)控制器構(gòu)成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠維持變換器輸出電壓穩(wěn)定，同時(shí)還可以消除Boost電路右半平面零點(diǎn)的影響。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 能量可以在任何兩端口之間進(jìn)行雙向流動(dòng)；(2) 采用雙電感結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)電源能量變換解耦；(3) 多工況運(yùn)行能力，如圖2所示，任意兩端口之間電能可以雙向變換，滿足電動(dòng)汽車(chē)多工況下的功率變換需求。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 Symlets小波變換混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略

2 基于Symlets小波變換的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略

如圖2所示，Symlets小波變換混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略的基本思路是：通過(guò)Symlets小波變換對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)功率中的高頻分量和低頻分量進(jìn)行分解，并將其分別作用于超級(jí)電容和鋰離子動(dòng)力電池，充分利用超級(jí)電容高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，降低“雙層電容效應(yīng)”和大電流放電對(duì)鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)壽命的影響。

2.1 Symlets小波變換

該空間2表示有限能量信號(hào)的矢量空間[26]。

在實(shí)際系統(tǒng)中，小波分解級(jí)數(shù)的選取要符合調(diào)節(jié)頻率限制，同時(shí)兼顧計(jì)算的簡(jiǎn)便性。因此，Symlets小波分解階數(shù)由以下方式確定。

即

因此Symlets小波最小分解階數(shù)為3。

2.2 Symlets能量管理策略

圖4 模擬高速公路經(jīng)濟(jì)性測(cè)試工況

圖5 Symlets小波分解后的功率需求

圖6 Symlets小波重構(gòu)后的功率需求

在車(chē)輛加速模式下，超級(jí)電容維持負(fù)載端母線電壓o穩(wěn)定。通過(guò)電流閉環(huán)對(duì)多端口變換器鋰離子電池對(duì)應(yīng)輸出端電流bat進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池輸出功率調(diào)整，即bat=obat。超級(jí)電容補(bǔ)充車(chē)輛需求總功率與鋰離子動(dòng)力電池輸出功率之差。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Symlets小波變換在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理中的有效性，建立了如圖7、圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三元鋰離子動(dòng)力電池組、超級(jí)電容、多端口雙向DC/DC變換器、可編程直流負(fù)載、示波器和監(jiān)控界面組成。其中鋰離子動(dòng)力電池組共由54節(jié)松下NCR 18650B組成，每18節(jié)電池并聯(lián)成組，再相互串聯(lián)得到鋰離子動(dòng)力電池模組。單體電池的標(biāo)稱電壓為3.6 V，充電限制電壓為4.2 V，單體最大連續(xù)放電電流為4.87 A，能量密度為243 Wh/kg，其放電倍率特性如圖9所示，放電溫度特性如圖10所示。表1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)詳細(xì)信息。

多端口雙向DC/DC變換器采用德州儀器公司的Piccollo32位微控制器TMS320F28027搭建，功率器件、控制器、數(shù)據(jù)總線接口和外圍組件集成在一個(gè)高密度的PCB上。多端口雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化示意圖

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

圖9 單體電池放電倍率特性

圖10 單體電池放電溫度特性

表2 多端口雙向DC/DC變換器詳細(xì)信息

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)的初始階段，鋰離子動(dòng)力電池已充滿至100% SOC，由于多端口雙向DC/DC變換器的輸入電壓為6～20 V，因此超級(jí)電容充至18 V，變換器的輸出電壓設(shè)為40 V，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)766 s。

使用Symlets小波變換將HWFET工況下負(fù)載功率進(jìn)行分解并分配給鋰離子動(dòng)力電池和超級(jí)電容，其結(jié)果如圖11所示。通過(guò)圖11(b)、圖11(c)可以看出鋰離子動(dòng)力電池輸出功率僅包含穩(wěn)態(tài)分量。模擬HWFET工況功率需求的低頻分量由鋰離子動(dòng)力電池提供，超級(jí)電容對(duì)負(fù)載實(shí)時(shí)功率需求做出快速響應(yīng)，并吸收高頻擾動(dòng)，與圖6所示的理論結(jié)果一致。

圖11 HWFET循環(huán)工況的總負(fù)載功率及其在超級(jí)電容和鋰離子動(dòng)力電池之間的分配

圖12為鋰離子動(dòng)力電池在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的端電壓和端電流。由圖12可知，在整個(gè)HWFET工況中，鋰離子動(dòng)力電池的最大輸出電流為14.2 A，由于電池內(nèi)阻分壓機(jī)制，其電壓隨電流反方向波動(dòng)。

如圖13所示，盡管鋰離子動(dòng)力電池的端電壓會(huì)隨其電流而波動(dòng)，但是在整個(gè)HWFET驅(qū)動(dòng)周期中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓仍具有良好的穩(wěn)定性，其實(shí)際電壓與理想電壓之間的最大偏差為0.25 %。

與文獻(xiàn)[28]中采用Haar小波變換策略(4階分解和重構(gòu))時(shí)鋰離子動(dòng)力電池功率的輸出功率曲線對(duì)比結(jié)果如圖14所示，可知使用Symlets小波變換策略后鋰離子動(dòng)力電池的功率需求變化更為平穩(wěn)，并且峰值電流低于使用Haar小波變換策略，避免了鋰離子動(dòng)力電池大電流放電。

圖12 鋰離子動(dòng)力電池實(shí)際電壓和電流

圖13 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓和電流

圖14 不同策略下鋰離子動(dòng)力電池輸出功率比較

圖15 不同策略混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓的精度比較

4 總結(jié)

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高頻負(fù)載波動(dòng)加速鋰離子電池壽命衰退問(wèn)題，本文提出一種基于Symlets小波變換的車(chē)載混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 該方法可以對(duì)整個(gè)HWFET工況下的負(fù)載功率需求進(jìn)行分解，將分解得到的高頻分量和低頻分量分別作用于超級(jí)電容和鋰離子動(dòng)力電池，降低鋰離子動(dòng)力電池所承受的浪涌電流，有效克服了“雙層電容效應(yīng)”對(duì)鋰離子動(dòng)力電池壽命的影響。

2) 通過(guò)與Haar小波變換策略對(duì)比，Symlets小波變換可以使鋰離子動(dòng)力電池的輸出功率變化更平穩(wěn)、峰值功率需求和系統(tǒng)輸出電壓的峰值波動(dòng)更低。

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Symlets wavelet transform energy management method for a vehicle-mounted hybrid energy storage system

SHEN Yongpeng1, SUN Songnan1, LIU Dongqi2, SUN Jianbin1, ZHAO Jun1

(1. College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China;2. School of Electrical & Information Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

This work is supported by the Youth Fund of National Natural Science Foundation of China (No. 61803345 and No. 51807013).

electric vehicle; hybrid energy storage system; lithium-ion battery; ultra-capacitor; Symlets wavelet transform

10.19783/j.cnki.pspc.210839

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目資助(61803345, 51807013)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目資助(202102210303，212102210264)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2019JJ 50669)；湖南省教育廳項(xiàng)目資助(18B137)

2021-07-06；

2021-11-07

申永鵬(1985—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)能量管理、控制與優(yōu)化；E-mail: shenyongpeng@ zzuli.edu.cn

孫嵩楠(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)能量管理與優(yōu)化；E-mail: sunsongnan_zzuli@163.com

劉東奇(1986—)，男，通信作者，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)V2G控制與優(yōu)化。E-mail: liudongqi@ csust.edu.cn

(編輯 魏小麗)