摘 要

当今社会，和平与发展是当今世界的两大主题，这其中，汽车行业的发展占据着举足轻重的地位，由于环保和能源的双重压力，人们很早就将目光转向纯电驱动汽车的研发与应用领域上。利用超级电容各自优缺点，将其组成混合供能系统为电动汽车供电，通过完备的能量流的管理与控制方案控制能量供给，不仅能节约能源保护环境，同时还能获得优良的整车性能。

本文分析了锂电池与超级电容的充放电特性，根据不同的电动汽车工况特性，对超级电容锂电池所组成的混合动力系统得拓扑结构进行了比较全面的剖析，确定使用超级电容通过DC/DC变换器与锂电池组并联结构。设计控制方略对能量控制器进行控制。

关键词： 锂电池；超级电容；混合供能；控制策略

Abstract

Energy and environment are the two big themes in today's world. Pure electric drive is the only way for the development of the next generation of automotive technology. The composition of the lithium battery and super capacitor has great impact on such problems. This thesis will research on the energy control strategy based on a self-developed test system. The main contents are as follows:

The thesis analyzed principles of the super capacitor and working characteristic of electric vehicles, and then it discussed the structures of the hybrid power. The DC/DC converter in parallel system was selected.

Key words: Lithium battery; Super capacitor; Hybrid power; Energy control

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 锂电池的发展现状 2

1.3.2 超级电容在电动汽车中的研究现状 2

第2章 混合供能系统核心部件的分析 4

2.1 车载储能装置的性能指标 4

2.2 蓄电池特性分析 4

2.2.1 各种蓄电池的性能比较 4

2.2.2 锂离子电池的工作原理 5

2.2.3 锂离子电池的充放电特性 6

2.2.4 锂离子电池的容量特性 7

2.2.5 锂离子电池的内阻特性 8

2.3 超级电容特性分析 8

2.3.1 超级电容的结构及工作原理 8

2.3.2超级电容的充放电特性 9

2.3.3 超级电容的内阻特性 11

第3章 系统拓扑结构分析 13

3.1结构对比 13

3.2 DC/DC 并联式结构设计 14

第4章 混合动力系统能量控制策略研究 16

4.1混合动力系统工作模式 16

4.2 基于DC/DC输出的能量控制策略 19

4.2.1 DC/DC控制模式 19

4.2.2 DC/DC 控制方法 21

第5章 总结与展望 22

5.1 全文工作总结 22

5.2展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 引言

在科技迅猛发展的当下，世界各国都奋勇争先地将经济发展放在重要位置，长此以往经济发展同远远领先于环境保护和资源节约。寻求开发高效储能和绿色能源装置刻不容缓，大力发展环境友好型电动汽车可从一定程度改善上述状况和问题，许多国家致力于对环境友好型电动汽车的开发实验。提高电动汽车市场的占有率能够使得整个汽车产业链更加完备，利润持续的增长、与之相关配套设备及其服务产业的发展也将会促进整个社会的经济增长。与此同时，电动汽车的发展还能促进全体社会节能环保行动的全面落实，电动汽车所采用的特殊供能方式降低了传统汽车对化石燃料的依赖程度、提高了驾驶工具的整体性能，而且对于减缓温室效应具有缓解的作用。

为了研发出具有更好整体性能的电动汽车，关键技术是供能电池的设计。当前，电动汽车所使用的供能电池大体分为生物电池、物理电池和化学电池三类。其中，广泛被关注并深入研究较多的有储备电池、蓄电池和燃料电池，这些电池是通过化学反应进行发电的化学电池，而当前已经在电动汽车上得以采用的动力蓄电池一般包括传统的镍氢电池、镍镉电池、铅酸蓄电池和锂电池。

对比其它蓄电池，锂电池以其使用寿命较长、充放电迅速等优势吸引了很多电池研究者的目光，使用锂电池作为为能源供给称为纯电动汽车，这类汽车快速成为了各国新能源汽车开发的主要势力。近年来，很多国家持续加大科研资金投入，但却始终没有办法解决锂电池在应用中遇冷的问题，这是因为锂电池所使用的正极材料的技术给锂电池的广泛使用带来了难以解决的难题。因此需要研发一种锂电池混合供电技术，来解决锂电池为电动汽车唯一功能所产生的利用率低下、使用寿命过短等不足。

超级电容是一种无污染的新型储能元件，其充放电时间短、工作效率较高、 使用寿命较长、功率密度大[^[1]]，在高功率输出环境和备用电源的设计中受到越来越多的重视，超级电容在电动汽车的领域的应用也变成了各国技术互相竞争的重要部分。使用超级电容为汽车供能，利用其充放电快的优秀性能，能够使供能部件在汽车制动过程中快速吸收能量，充分回收利用制动能量。综上，将锂电池与超级电容混合为电动汽车提供能源，可以分别发挥两者各有优势，通过设计合理的动力系统输出能量控制方案，在确保汽车负载能量提供这一基础上，当汽车运行至在动力系统的最大输出功率点使，锂电池放电电流合理减少，同时由超级电容输出部分峰值功率，使得汽车的整体动力性得以提高，同时可延长供电设施的使用寿命。

1.2 研究意义

发展电动汽车得首要问题为电池技术，随着研发的不断深入，使用锂离子电池为车载供能电池的纯电动汽车的性能有了一些提高，但锂电池具有安全性低、功率密度较小、能量密度较低等问题，使得锂电池供能的纯电动汽车的行驶距离受到了限制。目前许多研发机构的锂电池纯电动汽车仅是测试阶段，想要最终实现其效益化、产业化、实用化仍需克服很多技术难关。

超级电容具有功率密度大、充放电迅速、循环充放电次数多等优点，特别适合应用在快速释放和吸收能量的环境下。把锂电池与超级电容组成混合功能器件，针对电动车的能量去向和需能多少来确定两者不同的工作状态和模式。其中，当车辆处于制动状态时，超级电容可利用制动能量快速充电，能够避免制动产生的大电流对锂电池造成的冲击。为了研发出高性能、高配置、价格合理的混合供能电动汽车，世界上各国汽车生产商均增加研发力度和资金投入，其中核心技术是将超级电容高功率优势与锂电池的高能量特性完美结合。对于超级电容与锂电池混合供能系统的研究主要包括：拓扑结构的选择、模糊能量控制方案的研究。其中，选择拓扑结构时需要兼顾两种电源的输出特性以及供能系统的可控性、可行性、效率约束；而整个系统的输出性能将取决于控制策略研究。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 锂电池的发展现状

自从被发现，磷酸铁锂离子电池和锰酸锂离子电池一直备受业界关注。锰酸锂离子电池的优点是成本低、安全性能高，但具有不耐高温这一显著缺点[^[2]]，高温环境下工作，锰离子易从电池上剥离，以致电池使用寿命缩短。获美国专利的磷酸铁锂离子电池是新型动力源电池，具有安全无污染的优势，其充放电特性优良、存储功率能力强、寿命长、可循环使用，同时具有良好的稳定性，能够耐高温、以其优越的特性被广泛研究。当前，非常多公司开发锂电池的使用系统和管理系统。三洋电机公司所研发制造的的锂电池应用系统，其性能优良、具有高度的可靠性和稳定性。然而磷酸铁锂电池的应用和发展有一定限制，其主要原因是难以突破正极原材料的技术，目前我国有一些专业生产该电池正极材料和存储能量的锂电池厂商，但是由于厂区规模、技术竞争、生产时间被限制，电池产量远未达到锂电池市场需求量。这一现状已经引起有关部门的重视，在目前制定的锂电池发展方向及目标下，最大程度降低磷酸铁锂电池的生产成本，进一步提高电池使用性能，使得锂电池的应用范围得到进一步推广。我国在锂电池的研究方面也取得了很多可喜成果，包括超过世界上很多国家的现有锂电池研发水平的多项专利，目前大部分科研机构均加大锂电池在环境友好型动力汽车上应用的科研力度，已经开发出的很多能够在变换的道路状况下稳定强劲运行的锂电池动力汽车。

1.3.2 超级电容在电动汽车中的研究现状

超级电容是一种快速兴起的新式储能器件，虽然其研发使用的时间较短，但是优越的特性和绿色环保的优势为其带来了广阔的研发与使用空间，尤其是能在大容量储能、辅助动力源以及快速充放电等情况下的应用凸显优势。利用超级电容快速吸收和释放能量的特性，可以将其作为混合供能汽车的能量源的辅助方，在必要的瞬间回收制动所产生的大功率，加大回收能量的吸收率、减少整体能量浪费、降低了燃油系统耗费。超级电容本身的优点使其成为电动汽车节约能源型供能系统的一个重要的前进目标。美国Maxwell公司是当前比较有名的超级电容制造厂商，他们所出产的超级电容器有许多高端技术支持，获得了广泛优良的客户使用评价。最早使用超级电容混合动力电动汽车的国家是日本，全球属于首例使用超级电容的燃料电池型汽车的商品化即是著名的本田公司完美完成的[^[3]]。 俄罗斯的Eltran公司采用在电动汽车上装载模组电源的方法，该模组电池将300个单体超级电容串联，使汽车在稳定行驶时达到25km/h的车速，单次充电可运行12km。

与此同时，我国在超级电容在电动汽车的应用领域也获得了一些的成果。各大企业和科研单位均紧锣密鼓，加紧合作，研造出的超级电容电动客车其时速高达达20km/h。尽管如此，我国对于超级电容与锂电池混合环境友好型电动汽车的研究仍处于起步阶段。

1.3.3混合电源控制策略的研究现状

针对混合动力系统的不同应用场合以及混合动力汽车的不同控制目的，很多研究者提出了不同的控制方法，目前已取得了非常多的研究成果：MSalam提出的控制方法基于开关控制系统，以此实现电动车辆在稳定运行时保证电池SOC最大。Schouten NJ等人经过研究发现，应用一个适用于并联型动力汽车上的控制器件，通过适当的的管理办法将其安放在控制器中，不仅能够提高并联型动力汽车的运动特性，还能够保持电池的SOC值位于动态平衡的状态。针对于燃料电池、蓄电池和超级电容所组成的复杂得多动力源混合动力系统，DelpratS等人提出了一种新的思想，以平均负载来需求能量，定量和定向计算多动力源系统中各电源的输出能量。研究动力系统的能量控制方式的方法有很多种，基于优化和基于规则两大类是当前被业内广泛应用最多的。后者分为瞬时状态优化和全局型两种，前者则形成了两种理论，分别为模糊逻辑控制方法和静态逻辑门限控制理论。有研究人员认为[^[4]]，在设备驱动量是已知条件的情况下，将汽车的电源关键电荷参数、车辆传动比和运行时速作为变量，利用整体状态规划可以探究汽车的能源共计分配问题。我国在电动汽车能量控制策略领域的研究，大部分分布在各高校及研究机构。