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电池-超级电容器混合储能研究

摘要

在进一步提升混合动力汽车传动系统的寿命和性能方面，最具挑战的任务是提升电力系统的能量和容量的储存性能。电池在电能存储过程易受到损耗，且有功率限制和使用次数的困扰。引入超级电容器，可以改进复合储能系统的性能，增加系统功率并减轻电池的压力。

为了评估复合储能系统的性能，构建了DC / DC转换器的模拟仿真，增进了对系统的了解。为了研究不同控制策略和系统设置对缓解电池压力的情况，在Matlab/Simulink中进行了仿真。在具有20F超级电容器的NEDC循环工况的系统中，可以将系统效率提高2.5％，电池应力降低25％，流向电池的电流降低达32.5％。为此，有必要应用智能能量管理策略，使负载功率的所有高频部分由超级电容器承担。系统中引入超级电容器，可以改善能量型存储单元的效率和功率，并明显减小电池应力。

1. 研究简介

这篇硕士论文是由Semcon Caran AB与查尔默斯理工大学能源与环境系的电力工程部门共同完成的。

• 1. 研究背景

由于环境问题日益严重，对更节能车辆的需求也更加迫切。装配内燃机（ICE）的常规车辆在将化学能（汽油、乙醇、柴油等）转换为动能时会伴随着能量的巨大损失。可将ICE与电能存储和驱动系统结合使用，通过多种方式来提高燃油效率。通过允许内燃机向车提供额外的动力，可以使电力推进系统接近最佳工作点，同时电能存储系统可以吸收ICE产生的多余能量。

混合动力电动汽车（HEV）的另一个优点是，制动能量可以由电力系统吸收，而不是通过摩擦制动器将所有动能转化为热量。电能存储器通常由带有复杂电子设备的电池组成，用于充电控制和错误预防。存储单元必须具备足够的能量和功率的容量。当前的电池技术，能量密度和功率密度很难同时满足需求，且充电周期决定了电池的寿命。通过在储能系统中引入超级电容器，可以降低功率峰值对电池的影响，优化电池的能量存储性能，延长电池寿命，降低成本。

为了充分利用超级电容器，需要一个简单高效的电压转换器。使用转换器可以对功率进行控制，同时应用适当的控制策略，改善系统性能。

• 1. 国内外研究现状

这份报告的前期工作包括“比较用于混合动力电动汽车电源管理的DC-DC转换器”（Shupbach和Balda，2003年），研究了超级电容器连接的不同拓扑结构。硕士论文“混合动力汽车的替代储能系统” （Andersson和Groot，2003），是关于控制策略和优化的深入研究。 “超级电容器建模仿真程序的比较” （Andersson和Johansson，2008），介绍了超级电容器的建模。Doerffel（2007）研究了锂离子电池的老化过程，以及测量健康状况的方法。

• 1. 研究目的和技术方案

本论文的目的是研究和评估电池和超级电容器组成的复合储能系统在混合动力汽车中的应用。重点研究引入超级电容器后对电池寿命的影响，评估储能系统的效率变化，并创建有效的仿真模型。此外，设计、构造和安装复合储能系统的DC/DC转换器。完成系统组装，验证理论和模拟效率。

本文的技术方案是建立在已知的理论上。按比例缩小理论系统，创建仿真模型并在实验中进行验证。

• 1. 本文的局限性

本硕士论文仅关注混合动力电动汽车的能量流动，以及处理能量流动时的功率分配。ICE、电驱动系统和车轮之间的优化和动力流动不在本文工作范围之内。 因此，进出传动系统的动力将被视为能量存储单元（ESU）的输入。电池中实际的物理和化学反应将不再详细研究。

1. 系统概述
   1. 复合储能目的

化学能（例如汽油或柴油）转换为的动能仍是混合动力电动汽车（HEV）的主要推动力。化学能可以与其他更环保的能量来源（例如燃料电池或乙醇基能量载体）混合使用，来为内燃机（ICE）提供能量。引入混合动力传动系统的主要目的是减少ICE的燃油消耗（并提高效率）。 车辆的混合动力系统可应用许多不同的技术和配置来优化能效。

2.1.1 功率分配

车辆的瞬时功率取决于许多不同因素，例如驾驶方式、风阻和道路坡度等。 这些因素使瞬时功率发生波动，并且功率变化的频率可能会对普通非混合动力车辆的燃料消耗产生负面影响。ESU与电机（EM）组合的HEV充当了低通滤波器，并为动力传动系统提供了所需的额外动力。另一种构想是ESU吸收ICE多余的功率，使ICE尽可能在其最佳效率工作点附近工作。

2.1.2．制动能量回收

在驾驶HEV时，可以回收车辆在加速过程中获得的一些动能。在常规车辆中，制动能量会通过摩擦制动器转换为热量，但是在HEV中，可以将制动能量转换回电能并为电池充电。在没有安装超级电容器的混合动力汽车中，可以回收大约20％的制动能量（取决于动力，车辆和电池技术）（Halderman＆Martin 2006）。由于以下事实的限制：如果电池承受大量瞬时功率，它们可能会损坏，所以80％的能量在常规的摩擦制动器中耗散。如果在HEV中安装了超级电容器，超级电容器可以承担较大的瞬时功率以保护电池。

2.2．复合程度

复合程度是指电力系统应为HEV提供多少能量。复合程度是重要的设计参数，分为四类：带式驱动起动混合动力，集成起动混合动力（软混合动力），完全混合动力和插电式混合动力。

2.2.1．带式驱动起动混合动力

应用带式驱动起动混合动力的车辆属于常规车辆，但安装了较大的启动电动机，该电动机也起发电机的作用。起动电动机允许车辆更快地启动和停止内燃机。因其不属于混合动力传动系统，故该车辆不是混合动力汽车。

2.2.2. 集成起动混合动力

软混合动力汽车，某些文献中称为轻度混合动力汽车，是一种装有制动能量回收，在怠速期间停止发动机由回收的制动能量为推进提供动力的汽车。软混合动力汽车的电机很小，工作电压通常较低（〜42V）。

2.2.3. 完全混合动力系统

完全混合动力系统中的电机更大，并且直流母线电压水平（大约200-300V）高于软混合动力系统。与软混合动力车相比，完全混合动力系统拥有更大的电机和更强大的电力系统，对内燃机的辅助作用更大（Halderman＆Martin 2006）。相比轻型HEV，完全混合动力系统可以处理更高的功率峰值。

2.2.4. 插电式混合动力

插电式混合动力车是HEV的通用术语：除了应用了典型的混合动力优化技术外，HEV还可以从电网充电。这种车辆的ESU具有更大的容量，以更多地利用电网电力。因此在一定距离内可实现电力推进，从而消除短途旅行的内燃机工作和化石燃料消耗。因此，此系统中ESU对功率密度和能量密度需求更高。

2.2.5. 纯电动动力

尽管本文的工作重点是混合动力传动系统，但安装超级电容器的好处仍然适用于纯电动动力传动系统，其中电池技术仍然限制了市场渗透率（Pasquier等，2002）。但是，与插电式混合动力车一样，纯电动传动系统具有更大的电池，超级电容器缓解电池压力的能力更加凸显。

2.3．混合动力电动汽车的配置

混合动力电动车辆中的电动传动系统可以与ICE并联或串联（或两者都有）。 不同拓扑结构对电力系统的电源要求不同。

2.3.1．串联混合动力传动系统

在串联混合拓扑中（图2.1），ICE仅连接到发电机，该发电机将ICE的所有能量转换为电能。然后将功率馈送到牵引电动机。ESU在两者之间起到缓冲作用，以实现上述好处。由于ICE未连接至车轮，因此电力系统必须提供所有牵引力。这种配置的缺点是大量的能量转换会降低系统效率，并且对电气部件的需求更大，电气部件必须具有维持汽车所需的全部动力的能力。

2.3.2．并联混合动力传动系统

并联混合动力传动系统（图2.2）允许电力系统与ICE并联提供牵引力，其中ICE通过变速箱连接到车轮。与串联拓扑相反，并联混合具有更大的自由度。 可以ICE或EM单独驱动车辆，也可以两种方式结合使用。电力系统的功率需求可以自由选择。

2.4．储能单元

汽车中的能量存储单元（ESU）负责电能的存储，并充当电机的缓冲器（同串联混合动力系统中发电机）。ESU可以通过DC/AC逆变器从电机接收或向电机供电。根据能量应用和尺寸参数，例如混合动力级别和车辆尺寸，可以用不同组合配置ESU。储能单元可以是电池或超级电容器，也可以是两者的组合，使储能单元成为能量源。

在本论文中，将研究由超级电容器与电池并联组成的复合储能系统。需要控制功率流，或者需要具有不同的电压电平（即电容器上的电压的尺寸确定为低于电池上的电压，反之亦然），则可以用转换器与电池或超级电容器连接。如果转换器与电池串联安装，则可以通过功率控制来直接控制电池的功率。这种配置的主要缺点是超级电容器上的电压电平会波动，导致外围设备上的电压波动。另一种配置是安装两个转换器，一个与超级电容器串联，一个与电池串联，但这结构更加复杂。因此，在本文工作中，将转换器与超级电容器串联安装。配置如图2.3所示。

2.4.1.电池

根据尺寸参数（如复合程度，性能和范围），可以选择电池参数。由于电池具有良好的能量密度，所以电池适合于为HEV提供能量缓冲。当今市场上存在几种型号和尺寸。电池面主要临成本，寿命和尺寸等问题。

2.4.2.超级电容器

由于电池具有良好的能量密度，但功率密度较弱（请参见图2.4）超级电容器具有良好的功率密度，但具有较低的能量密度，因此可以安装超级电容器以补充电池的功率密度。良好的功率密度可以在短功率峰值期间提供能量。超级电容器的使用寿命长，因此也适合用于平滑电池功率的电源，减轻电池的压力。

2.4.3.转换器

随着基于半导体的功率电子学的发展，出现了功率高级控制能力。现代转换器具有快速转换电压的能力，这是使用超级电容器所必需的。与超级电容器串联安装一个转换器，以进行功率控制，并实现不同的控制策略。

2.4.4.能量流动

混合动力电动汽车的负载功率可以为正，也可以为负。正负载功率定义为外部系统中是否有多余的功率，有多余的功率则为正，此时功率流入ESU（参考发电机）。反之为负，则外部系统需要电能，能量从ESU流向外部系统。在ESU内部，负载功率在电池和超级电容器之间分配，如图2.5所示。

转换器能够根据外部环境（例如功率控制策略）将功率分配到超级电容器或从超级电容器转移出功率。控制策略经过优化，可提供更好的系统性能以减轻电池压力。

1. 储能单元

从图2.3可以看出，储能单元由几个组件组成。以下章节介绍了每个部分及其技术功能。

3.1．电池

在HEV应用中，电池的存储的总能量和重量被认为是重要的性能参数，另一个重要因素是电池的成本。通常，电池中存储的总能量与电池的重量和体积成一定的线性关系。线性因子称为“比能量” [Wh/kg]和“能量密度”[Wh/L]。电池可以提供的最高功率也受到限制，并且于能量类似，以“比功率”[W/kg]和“功率密度”[W/L]衡量。如今市场上有许多不同类型的电池，有些已经非常成熟，有些则更加新颖和现代。对于高功率电池的应用，主要有两种，即镍氢电池和锂离子电池。（Halderman＆Martin 2006年）

3.1.1.镍氢电池

镍氢电池是镍镉电池的改良型，镍镉电池曾经很有前景，但镍镉电池存在一定问题。镍氢技术的引入使能量密度相对于镍镉提高了40％以上。因为镍氢电池没有有毒金属，被认为是环保的。镍氢电池在HEV应用的主要缺点是最大充放电循环次数很少（在1小时充电-1小时放电速率下约为500次）（Dhameja 2002）。

3.1.2.锂离子电池

市场上相对较新的电池类型是锂离子电池。这种电池在高功率应用中显示出良好的潜力。锂离子电池基于锂元素显示出了良好的电学性能。纯锂金属与空气接触时具有爆炸性，因此通常使用碳化锂代替。与其他类型的电池组相比，锂离子电池组具有更复杂的结构，并且许多方面要求更高。与镍氢电池相比，锂离子电池可以更快地充电和放电，具有更高的功率密度。电池电位也被认为很高，开路电压通常为4.15V/电池。与镍氢电池相比，锂离子电池的另一个良好特性是可以进行更多的充放电循环（1小时充电-1小时放电速率下大约1200次），并且具有相对较低的自放电速率。在使用锂离子电池时，监视电压水平非常重要，因为过度充电会导致热失控，最坏的情况是会损坏电池（Dhameja 2002）。

3.1.3.电池寿命

衡量电池技术的一个重要方面是电池寿命和老化过程。电池通过电化学过程来存储和释放电能。电池的老化过程受化学、电气和机械特性等许多不同因素的影响。健康状况（SoH）是一种常用的参数，但是由于不同测量技术之间的潜在因素不同并且不容易权衡，因此通常很难测量或估计健康状况的准确值。电池的最大容量与SoH密切相关，当电池的容量降至最大容量的80％时，电池通常被视为“失效”。电池的效率也是一个不可忽略因素，电池效率是由于等效内部电阻会损耗电池功率。这些功率损耗还将产生热量，对电池寿命产生负面影响。在设计设备（例如HEV）时，机械应力或振动应保持在最低水平，以延长电池使用寿命。

镍氢电池的老化过程与操作、温度、最大循环数以及每次循环的放电深度（DoD）有关。镍氢电池具有过

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