基于混合动力储能系统的电动汽车电池老化与能耗权衡的控制方法研究 | MDPI Energies

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引 言

公共汽车具有低运行速度和频繁停止与启动的优点，因此它是实现混合动力或交通电气化目标的主要候选者，从而实现减少运输部门碳排放目标。然而，由于不可逆的内部化学和机械变化，混合动力及电动汽车中的电池性能问题会因使用周期的增加而逐渐劣化，从而缩小续航里程和增加整车能耗，同时增加此类车辆的运营成本。因此，一种可能的解决方案是在公共汽车中使用混合储能系统 (Hybrid Energy Storage System, HESS)，即锂离子电池与超级电容器的组合。

现有文献大多涉及HESS的最佳尺寸，以最大限度地提高这种系统的成本效益，通常不会直接考虑电池老化，以及超电容器老化在HESS中的影响。为了弥补这些不足，来自美国加州大学戴维斯分校机械与航空航天工程系的研究团队研究了电动汽车锂离子电池和超级电容器HESS的建模与控制，以改善电池寿命和能耗。同时，研究团队通过为HESS开发面向控制的老化模型，以期最大限度地减少电池退化和能耗之间的权衡。

研究过程与结果

基于现有文献存在缺乏对电动汽车的直接老化控制研究和超电容器老化在HESS中的影响分析，以及超级电容老化下HESS经济效益的评估。本文提出了一种基于混合动力储能系统的电动汽车电池老化与能耗权衡的控制方法。

首先，为电动汽车混合动力储能系统开发了老化模型，并提出一种用于老化控制的能源管理系统 (Energy Management Systems, EMS)，包括确定性动态规划 (Deterministic Dynamic Programming, DDP)、随机动态规划 (Stochastic Dynamic Programming, SDP) 和负载均衡 (Load-Leveling, LL)。然后，将车辆模型和老化感知控制器应用于具有HESS的电动公交车的案例研究，并在电池的使用寿命内进行仿真模拟。最后，对这些仿真结果进行分析，如图1~3所示。研究表明，同时控制电池老化、超级电容器老化和能量损失的策略，可以将电池寿命延长28.2%，而只需降低7.0%的燃油经济性。

图1. 基于DP方法的能耗和电池老化，N_pc=100。

图2. 四种因果控制方法的能耗和电池老化比较，N_pc=100。

图3. 四种因果控制方法的成本效益分析，N_pc=100。

研究总结

本文为HESS开发出了一种可控电池和超级电容器老化模型，同时为最大限度地减少电池老化提出了相对应的能源管理策略。作为案例研究，将这些模型和控制策略应用于模拟电动公交车，以确定每种策略的电池寿命和能耗。作者模拟了一系列不同HESS尺寸和控制器的调整，以确定每种策略的电池老化和能耗之间的权衡。作者还分析了HESS的成本效益，以确定所提出控制策略的相对经济效益。仿真结果表明，SDP-EC方法控制电池老化、超级电容器老化和能量损失的加权组合，在所有考虑HESS尺寸下对老化—能耗权衡提供了最大的改进。在巅峰时期，该策略的电池寿命延长了28.2%，而燃油经济性只需要降低7.0%。此外，成本效益分析表明，只有包括直接老化控制在内的策略，才能可靠地为系统增加价值。同时，SDP-EC方法是为HESS增加经济价值最行之有效的方法。

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原文出自 Energies 期刊

Mallon, K.; Assadian, F. A Study of Control Methodologies for the Trade-Off between Battery Aging and Energy Consumption on Electric Vehicles with Hybrid Energy Storage Systems. Energies 2022, 15, 600. 

 本文撰稿人

武龙星 博士研究生

西安理工大学

   Energies 期刊介绍

主编：Enrico Sciubba, University of Roma Sapienza, Italy

主要关注能源动力工程研究相关各个领域的最新研究成果、工程技术开发以及能源政策经济管理。

2021 Impact Factor	3.252
2021 CiteScore	5.0
Time to First Decision	16 Days
Time to Publication	39 Days

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