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SCI論文|高轉矩過載電機驅動混合儲能系統及管理策略
一、基本信息：
清華大學·清華大學機械系，研究方向：精密機電控制
發表于Journal of Energy Storage
影響因子：9.4
二、論文內容簡介
本文參考汽車大功率混合能源系統的發展思路，提出了一種電池-超級電容器混合儲能系統(BSHESS)及其能量管理策略。電機在低轉矩工況下由電池供電，而電池的額外輸出功率用于給超級電容器充電。在轉矩過載的情況下，超級電容器的快速放電為電機提供了大電流，保證了瞬時的高輸出功率。此外，利用所提出的能量管理策略對超級電容器的充放電過程進行控制，保證超級電容器的充電過程不干擾電池對電機的供電，并保持放電過程中電流的可控性和穩定性。通過仿真驗證了該原理的可行性，并設計了完整的BSHESS樣機，并在電機上進行了實驗。結果表明，在相同的最大輸出電流下，與純電池供電系統相比，電機的最大輸出電流增加了150%，重量減輕了64.7%。此外，與非管理狀態相比，能量管理策略可以實現更穩定的充放電過程。
三、研究背景
在移動機器人等領域，對具有大輸出扭矩的小尺寸電機的需求正在增加，因此需要在特定體積和重量內具有更大輸出功率和電流的移動電源系統。然而，由于材料等因素的限制，鋰電池等傳統移動電源在克服重量和輸出功率的雙重限制方面面臨挑戰。
因此需要全新的電源能量管理模式實現電源系統重量和輸出功率之間的兼顧。
四、創新內容與工程應用價值
在本文中，我們提出了一種新的專為伺服電機設計的BSHESS。BSHESS通過集成電池和超級電容器，在供電系統中結合了體積小、重量輕、輸出功率高的優點。此外，我們提出了一種針對BSHESS的能量管理策略，確保超級電容器在電機正常轉矩條件下利用電池的剩余功率充電，而不影響其正常運行。此外，該策略有效地控制了超級電容器的放電過程，保證了精確可控的高輸出電流。此外，我們還提出了一個完整的BSHESS原型，并利用該電機系統進行了各種充放電實驗。結果表明，與單電源模式相比，最大輸出電流顯著增加了150%。此外，與具有同等最大輸出電流能力的商用純電池系統相比，重量減輕了64.7%。提出的BSHESS和能量管理策略為移動電源系統提供了一種新的實現方法，并為伺服驅動系統提供了即時高扭矩輸出的可能性，特別是在涉及移動機器人的場景中。本研究具有重要的應用潛力。
五、基于靈思創奇設備
靈思創奇的Links-C3U半實物仿真機作為本項目中的控制和采樣單元，發揮了重要作用。主要用于配合實驗室自主開發的功率板及控制板，對超級電容及電樞的電流、電壓等進行實時采樣檢測和控制。半實物仿真機能夠以0.01s的高實時性準確完成既定程序指令，實現了對能量管理系統的精準采樣和高性能閉環控制，是本課題實驗設計環節的重要保障。
