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3储能单元

从上一章的图2.3可以看出储能单元由几个部件组成。以下章节介绍了每个组成部分的概念及其技术特性。

3.1电池

在HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合动力汽车）应用中，存储的总能量和电池单元的重量被认为是重要的技术方面因素，另一个重要因素是电池的成本。可以存储在电池中的总能量通常或多或少地线性地跟随重量和体积的变化。线性因子被称为“比能量”[Wh / kg]和“能量密度”[Wh / L]。电池可以提供的最高功率也是有限的，与能量相似，可以用“比功率”[W / kg]和“功率密度”[W / L]来衡量。当今市场上有许多不同的电池类型，其中一些更成熟，一些更新，更现代。对于高功率应用，有两种主要的技术，即NiMH（镍氢电池）和Li-Ion（锂离子电池）。（Halderman＆Martin 2006）

3.1.1.NIMH （镍氢电池）

NiMH（镍氢电池）电池是曾经很有前途的NiCd（镍镉电池）电池的继承者，它具有他们固有的问题。与NiCd（镍镉电池）相比，NiMH（镍氢电池）技术的引入使比能量增加了40％以上。NiMH（镍氢电池）电池也被认为是环保的，因为它们中没有有毒金属。其在HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合动力汽车）中应用的主要缺点是在失去其容量之前可以提供的最大充放电循环次数较少（在1小时充电时约为500次- 1小时放电率）（Dhameja 2002）。

3.1.2. Li-ion（锂离子电池）

市场上相对较新的电池类型是锂离子电池。该电池显示出高功率应用的良好潜力。锂离子电池基于锂，具有良好的电气性能。纯锂金属在与空气接触时具有爆炸特性，因此通常使用Li_xC代替。锂离子电池组具有更复杂的结构，并且在许多方面与其他类型电池相比有更苛刻的条件。与NiMH电池相比，锂离子电池具有更快充放电的可能性并且具有更高的比功率。电池电位也被认为是高的，开路电压通常为4.15V/电池。锂离子电池的另一个良好特性是它比镍氢电池有更多的充电-放电循环（在1小时充电 - 约1小时放电速率下大约1200，1小时充放电速率大约1200次）并且具有相对低的自放电率。处理锂离子类型电池时，监控电压水平非常重要，因为过度充电会导致热失控，在最坏的情况下可能会损坏电池（Dhameja 2002）。

3.1.3. Lifetime Parameters （寿命参数）

SOC全称是State of Charge，荷电状态;

SOH全称是State of Health，蓄电池容量、健康度、性能状态;

DOD 全称是Depth of discharge，放电深度：电池放电量与电池额定容量的百分比；

处理电池技术的一个重要方面是电池寿命长短和其老化过程。电池通过电化学过程存储和输送电力，并且老化过程受到化学，电学和机械特性的许多不同因素的影响。一种常见的测量方法是测其健康状态（SOH），但是测量或估计该参数的精确值通常很难，因为不同技术之间的潜在因素不同并且不容易称重。电池的最大容量与SOH密切相关，当容量低至最大容量的80％时，电池通常被认为是“死”态。并且电池的效率也是一个重要因素，不可忽略，这是由于等效内部电阻的功率损耗。这些功率损耗也会产生热量，这会对它们使用寿命产生负面影响。在设计设备（例如HEV混合动力汽车）时，将机械应力或振动保持在最小也很重要，因为机械应力或振动也会缩短使用寿命。

NiMH（镍氢电池）电池的老化过程与操作，温度，恒定的最大循环次数以及每个循环的放电深度（DOD）有关。NiMH（镍氢电池）电池具有过充电的能力，但在过充电期间，它对高温更敏感，所以当NiMH电池过度充电时，将电流保持在合理水平也是很重要的（Falcon 1994）。

锂离子电池具有复杂的老化过程。锂离子电池对SOC水平的变化很敏感。如果SOC变得太高或太低，则电池单元易损坏并且电池的预期寿命缩短。因此，监控和保持锂离子电池SOC在范围内是重要的，并且需要尽可能保持电池的电压稳定。老化过程中的另一个重要参数是温度;如果锂离子暴露在高电流下，导致的结果是其衰变会被固定。锂离子电池也会受到太低温度的损害，特别是在充电过程中，不应该冷冻（Dhameja 2002）。

总而言之，在电池的健康状况和影响电池健康的精确因素之间找到确切而普遍的关系并非易事。但是，有许多不同的因素通常影响寿命：

bull;温度，高温对电池SOH有负面影响。提高工作温度的一个原因是高电流和电池的内阻;功率随着热量而消散并升高电池的温度。这可以通过冷却系统来管理，但这会消耗能量。

bull;电池充电状态的变化会对循环中的SOH产生负面影响;电池的寿命与其经受的充放电循环次数密切相关。

bull;放电深度是一个重要参数，对于每个充放电循环，DOD应尽可能保持较低状态，以延长使用寿命。例如，具有20％的DOD比80％的DOD更好。（放电深度：电池放电量与电池额定容量的百分比）

3.1.4. Lifetime parameters – measurement（寿命参数 - 测量）

由于不同电池之间的复杂性和多样性，测量甚至估计电池的SOH是一项复杂的任务。 但是有些因素可以表明：

o温度至少部分取决于电流。一个有意义的参数是电池的电流量。由于温度变化与内部电阻有关（由于I²R损耗），因此测量该电流的大小也是有意义的。通过测量驱动循环期间电池电流的均方根（RMS），可以算出电池电流量的平均值。

o充放电循环对电池有负面影响，测量循环速率和深度的一种方法是形成所谓的SOC应力因子，其中功率谱与频率相乘，详见第7.3.2章。

3.1.5. Electrical Model（电气模型）

电池通常采用内部电阻建模。 对于本论文的工作，戴维南等效模型被认为是足够的，这种电池模型如图3.1所示。

（图3.1电池的等效电气模型）

ESR_Batt是等效串联电阻，电池开路电压标记为VOC_Batt。组件的参数值取决于温度，健康状态（SOH），荷电状态（SOC）和电流。虽然SOH很难确定，但如果已知温度和放电电流，则可以通过电池的实验数据确定SOC。串联的电阻是效率计算和输出电压的最重要因素。由于电阻上的电压降，输出电压将随着功率输出的增加而下降，随着功率输入的增加而上升。 而且，电阻中消耗的功率是热损耗。由于内阻在电池模型和上述因素之间不断变化，所以对该变量的动态估计非常复杂，需要深入了解电池类型中的化学反应，所以在此模型中选择恒定值。

为了估计电池在不同工作状态的效率，需要使用基本的电气关系。通过假设最大额定功率下的电池效率为85％，串联电阻可以计算为：

3.2. Supercapacitor（超级电容）

电容器的电容大小与电极的表面积和它们之间的距离密切相关，电容在物理上可以描述为

其中ε是电极之间电介质的磁导率。

超级电容是与电容器相比具有相对高的比功率能力的部件，并且它具有比传统电容器高得多的比能量，更像电池。电化学超级电容器由碳化多孔材料作为一个电极构成，其由于空腔的存在而具有大的表面积。另一个电极是液体化学导体，它通过电极之间的隔离层来电隔离。介电层的厚度等于电极之间的距离。为了获得高电容，隔离器非常薄，通常为十分之几纳米（Lai等，1992）。由于这些因素，根据等式（3.2）可以实现高电容。电极之间的最大电压差与隔离器的介电击穿有关，而隔离器的介电击穿又与其厚度和材料有关。由于超级电容器中的薄隔离器，每个电池的最大电压变得相对较低，为2-4V，以避免电介质击穿。

超级电容器技术相对较新，并且不断发展。表1是不同品牌的商用超级电容器之间的比较。

表1商业（或几乎）可用的超级电容器的品质因数

（Investire Network 2003; Maxwell 2008; Nesscap 2005）

3.2.1. Lifetime parameters（寿命参数）

超级电容具有大量的循环，通常数量可以超过数十万。这通常使寿命长于电池的寿命。但是，有许多参数会影响超级电容器的寿命。如果电容器承受过高的电压或高温，则寿命会大大缩短。每比额定电压高100mv或比额定温度高10^oC，超级电容的寿命就会减半（Shiffer 2006）。因此，将电压和电流保持在合理的水平是重要的，因为高电流会导致I²R损耗，从而产生更高的温度。

超级电容器中的老化过程是由于电解质的反应性增加，其随着杂质的还原或氧化而增加。这导致内部电阻增加，电容降低和自放电率增加。更高的电压会加速其还原过程;因此监测其电压很重要。

3.2.2. Electrical model（电气模型）

有许多不同的方法来模拟超级电容器的电特性。该工作中使用的模型如图3.2所示，其中C₀表示标称电容，它取决于开路电压。 ESR是等效串联电阻，是导致损耗的主要因素。 EPR是等效的并联电阻，可用于模拟自放电。可以通过串联电容器和电阻以获得更好的模型动态，但是在这项工作中认为是不必要的。

图3.2超级电容的等效电模型

3.3. Balancing of Cells（电池间的平衡）

用于HEV应用的超级电容模块和电池模块都包括串联和/或并联连接的多个单元。如果由于制造不一致而使各个单元的参数值不同，则在操作期间每个单元上的电压将不相等。为确保不超过每个电池的最大电压水平，需要进行平衡。可以通过无源或有源电路实现平衡。有许多不同的方法可以实现电池之间的平衡：

bull;使用电阻器进行无源平衡是最简单的平衡配置。电阻器连接在每个电池上。这种配置的功率损耗很高。

bull;开关电阻类似于无源平衡类型，但不同之处是其还有一个与电阻串联的开关。当达到最大电池电压时，开关可以打开电阻。开关电阻的主要缺点是需要测量每个电池上的电压。

bull;采用DC / DC转换器实现主动平衡;每个电池上的电压通过相对较小的转换器主动均衡。这种设置的唯一损失是转换器的损耗，但主要缺点是它需要大量的元件并且复杂性更高。

bull;还有一种配置是采用齐纳二极管代替电阻。这使得电流有可能绕行。这种配置的损耗发生在二极管中。

3.4. Converter（转换器）

由于超级电容器上的电压随SOC变化很大，而电池电压相当稳定，因此需要在它们之间使用DC / DC转换器，如图2.3所示。转换器还具有功率流控制的优势。为了优化电池和超级电容器的使用，以令人满意的方式控制功率流的能力是必要的。

3.4.1. General Operation of a Switched Converter（开关转换器的一般操作）

通用开关DC / DC转换器通过切换电压（U1）来实现另一电压（U2）。 简化的操作如图3.3所示。如果对U2进行“低通”滤波并假设无开关损耗，则U2上产生的直流电压是平均电压。平均值是方波振幅和导通时间与关断时间之比（占空比）的函数。

图3.3（切换波形）

3.4.2. Topology（拓扑）

有许多不同的拓扑结构可将直流电压转换为不同的电平并控制功率流。最简单的是降压和升压转换器；它们是单向型的，因此只能向一个方向发电。在这个应用中，具有双向发送功率的能力是很重要的。能解决上诉复杂性的转换器有Cuacute;k（图3.4）Sepic / Luo（图3.5）和半桥（图3.6）转换器。这类转换器都具有双向功率流，能够在一个方向上提升电压电平，在另一个方向降低电压电平。

图3.4Cuk 转换器 图3.5 Sepic / Luo 转换器

图3.6 半桥式转换器

半桥式转换器具有以下优点：与其他配置相比，能经受高电流，而且电压的组件的数量减少。功率元件的数量增加了转换器中的损耗以及产生成本。半桥式转换器也是有利的，因为有源元件上的应力减小了（Schupbach和Balda 2003）。半桥式转换器中开关晶体管上的电压仅为反激或正激转换器所需电压的一半（Rashid 1999）。如果复杂程度增加，则存在全桥转换器系列。这些转换器可以在所有四个象限中工作，这意味着它们可以处理正负电压和电流。由于HEV应用从不需要处理负电压的能力，因此得出结论，使用复杂性高的全桥转换器是不必要的。

3.4.3. Half-Bridge（半桥）

由于所需的无源和有源元件数量较少，半桥式转换器是整个行业中非常常用的设置。

在半桥式设置中，由于成对切换，可以省略续流开关二极管。由于正常开关二极管在导通时具有不可忽略的正向压降，因此使用另一个晶体管的方法是有利的。然而，晶体管中寄生二极管的反向恢复时间通常比优化的开关二极管长，这可能会使桥接器短路，并且可能产生通过晶体管的瞬态高电流。因此，实验电路需适用于两种设置并进行测试。简化原理图如图3.7所示。请注意，以下定义在整个报告中都有效，包括电流，电压和组件名称的方向。

半桥式拓扑的一个限制是一侧总是必须具有比另一侧更低的电压，这导致超级电容器上的电压永远不会超过电池电压。

图3.7 具有标记元件，电流和电压的半桥式转换器

该功能可以描述为双向降压或升压转换器，这取决于通过电感的平均电流的方向。如果平均电感电流为正，则使用图3.7中的方法，半桥式用作降压转换器。如果平均电感电流为负，则半桥式用作升压转换器。在升压操作期间，转换器试图稳定电池侧相对于

资料编号：[3719]