鉅大LARGE | 點擊量：972次 | 2021年04月06日
如何設(shè)計一款鋰離子電池超級電容復(fù)合動力電源
假如超級電容的能量密度不能有大幅度的提高，單獨在電動汽車上使用比較困難。即使是空間相對寬裕的大巴車，應(yīng)用起來，也比較繁瑣。曾經(jīng)有純超級電容電動大巴在實際中運營，它的姿勢是這樣的：只依靠乘客上下車的時間充電是不夠的，所以要乘客等待充電；前方有車輛擋住了充電位置，必須等待，泊車在特定位置方可充電；站點必須密集，最好不要超過2-3km間距。一站一充的供電方式，在實際應(yīng)用中要解決非常多的困難。相對而言，將超級電容與能量密度高的電源結(jié)合使用，各取所長，則顯得更為實用。以鋰離子電池與超級電容配合使用為例。
電動汽車復(fù)合電源的優(yōu)點
復(fù)合電源采用超級電容器和動力鋰離子電池電池儲能裝置相結(jié)合，重要考慮到以下幾點：
1)聯(lián)合使用動力鋰離子電池和超級電容的目的在于，解決單一儲能裝置比功率和比能量的不足；
2)可以最大限度的減少蓄電池大電流充放電的頻率，從而減少蓄電池的發(fā)熱和能量損失，使蓄電池的工作條件得到改善，效率得以提高；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
3)復(fù)合電源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮超級電容器高速率快速充放電、高比功率的優(yōu)勢，同時超級電容能夠快速吸收瞬時大功率制動能量，提高整車系統(tǒng)的能量利用率；
4)當要相同的功率和能量時，復(fù)合電源系統(tǒng)的費用、體積和重量遠優(yōu)于單一電源。
1復(fù)合電源的一般拓撲形式
目前，超級電容和蓄電池復(fù)合電源電動汽車重要采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，蓄電池和超級電容
器連接的位置不同，相應(yīng)的控制策略也不同。復(fù)合電源的連接方式重要分為以下四種，
第一種并聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)最簡單，所需器件數(shù)目最少，但由于沒有雙向DC/DC變換器，超級電容和蓄電池在任何時候都具有相同的電壓。此時功率大小的分配重要取決于各電源的內(nèi)阻大小，直流母線側(cè)電壓變化范圍受蓄電池端電壓所限，超級電容器只能在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時輸出和吸收波動的功率，因而此種方式限制了超級電容的大功率充放電能力，未能充分發(fā)揮超級電容與負載匹配的優(yōu)勢。
第二種并聯(lián)方式中，蓄電池和負載直接相連，超級電容器通過雙向DC/DC變換器與負載相連。這種結(jié)構(gòu)形式，蓄電池連接的直流母線電壓在系統(tǒng)充放電過程中變化相對較小，且蓄電池基本工作在恒流方式，蓄電池的充放電電流得以優(yōu)化。
第三種并聯(lián)方式下，蓄電池經(jīng)過雙向DC/DC變換器與負載連接，可以優(yōu)化蓄電池的輸入輸出特性；超級電容器則直接與負載相連，此時超級電容可以很快地供應(yīng)電動公交車啟動/加速時的功率輸出和減速剎車時的制動能量回收。但由于超級電容器端電壓隨充放電過程指數(shù)形式變化，特別關(guān)于小容量的超級電容器，很難充分發(fā)揮超級電容瞬時大功率充放電的特點。
第四種并聯(lián)方式下，超級電容器和蓄電池均通過雙向DC/DC變換器與負載相連，此時電壓調(diào)控范圍大，靈活性很高，但由于采用了兩個DC/DC變換器，整個系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制的難度新增，降低了系統(tǒng)的效率，系統(tǒng)的成本也相應(yīng)新增。
2雙向DCDC
在復(fù)合電源系統(tǒng)中使用的雙向DC/DC變換器，要實現(xiàn)下列功能：
1)穩(wěn)定電壓。通過DC/DC變換器將直流母線的電壓穩(wěn)定到系統(tǒng)所需的合適電壓；
2)傳遞功率。通過雙向DC/DC變換器，調(diào)節(jié)各電源的輸出功率，以滿足系統(tǒng)對能量和功率的需求；
3)高效率。功率變換器要有較高的轉(zhuǎn)換效率，盡可能減小自身的能量損耗；
4)較快的響應(yīng)速度。關(guān)于只有超級電容回路串聯(lián)DCDC的情形，當電池直接連接到直流母線上，直流母線出現(xiàn)瞬時大功率變化時，若變換器響應(yīng)速度跟不上，則超級電容器便不能及時平滑蓄電池輸出的峰值功率。此外，超級電容器需承擔瞬時的大電流充放電來保護蓄電池，因而同一支路的DC/DC變換器，要承擔大電流和瞬時電壓的變化；
5)為了提高電動汽車的能量利用率，要將再生制動的能量回收到超級電容器。因此，要求與超級電容器串聯(lián)的DC/DC變換器必須是電流雙向可逆的。
3復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計要考慮的重要問題
3.1如何確定超級電容與鋰離子電池的電量比例
先看車輛的需求，按照既定策略，從放電和制動能量回收兩個過程考慮兩類電源數(shù)量的匹配。
比如，放電過程，首先依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗得來的系統(tǒng)輸出功率譜，體現(xiàn)最為常見的系統(tǒng)工作狀態(tài)和功率波動幅值；然后計算系統(tǒng)功率平均值；最后確定超級電容和鋰離子電池組的工作機制，能量密度高的鋰離子電池，理想情況是負責(zé)供應(yīng)功率平均值以及平均值以下的電能；當負載出現(xiàn)尖峰時，超級電容用來填補峰值部分，盡量發(fā)揮其功率性能的優(yōu)勢。
相應(yīng)的，再生制動過程，一般要求超級電容完全承擔其能量回收的責(zé)任。在單純使用蓄電池的系統(tǒng)中，蓄電池組要同時滿足下面幾個重要參數(shù)：額定電壓，工作電壓范圍，額定功率，峰值功率，最大回收電流以及總能量（總續(xù)航里程）。而在有超級電容參與的電源系統(tǒng)中，電池重要滿足電壓和總能量的要求。
因此，超級電容的數(shù)量應(yīng)該取放電要和能量回收要的最大值，電池的數(shù)量由車輛的電能消耗率和續(xù)航要求決定。
3.2如何考慮制動能量回收功率
制動回收功率的大小，直接影響到超級電容的配置數(shù)量，因此在復(fù)合電源系統(tǒng)中，對制動能量回收的量要有更為準確的估計。車輛的再生制動能量，由車輛自身物理參數(shù)、制動策略、車輛速度決定，并受到能量傳遞鏈條中各個因素的影響。
車輛整備質(zhì)量越大，車速越高，車輛具備的慣性越大，因而要的制動力也就越大。但并不是全部的制動力都由電機反轉(zhuǎn)供應(yīng)，重要是出于安全的考慮。使用混合制動系統(tǒng)的純電動公交車在制動時，再生制動力與摩擦制動力之間的比例決定了再生制動所出現(xiàn)的功率，比例越大，再生制動的功率越多，制動器的摩擦損耗就越少，儲能系統(tǒng)回收的能量也就會越多，能量回收效率越高。
制動能量的傳遞鏈條：制動系統(tǒng)到電機再到電池。制動系統(tǒng)根據(jù)車輛運行情況，分配制動力；電機將制動力轉(zhuǎn)化成電能，反向輸送至儲能裝置，也就是超級電容；超級電容盡可能存儲最大比例的電能。過程中制動力分配比例，電機發(fā)電效率，超級電容充電效率，都會對最終充入超級電容內(nèi)的電量出現(xiàn)影響。
3.3如何考慮超級電容成組排列方式
根據(jù)能量與功率約束條件確定了超級電容單體個數(shù)以及并數(shù)m和串數(shù)n值之后，重要從串并關(guān)系不同帶來的可靠性差異，和不同容量的單體電容的排布去考慮成組問題。
先串后并還是先并后串，也許從入行開始，我們早已經(jīng)習(xí)慣了先并后串，因此這個問題已經(jīng)不再被當做問題。有研究表面，串并順序?qū)Τ山M后模塊的可靠性會出現(xiàn)直接影響。直接上結(jié)論，我們常用的先并后串的結(jié)構(gòu)形式，相關(guān)于先串后并形式，具有更高的可靠性，并且串并數(shù)量越大，效果越明顯。
由于超級電容單體存在不可防止的容值偏差，在對超級電容進行排列組合時，最好先對超級電容的容值偏差進行測定，關(guān)于容值偏差太大的單體舍棄不使用。容值偏差在允許范圍內(nèi)的單體，容值最小或是最大的幾個超級電容單體不能并聯(lián)在同一支路，可以根據(jù)容值偏差從小到大（或從大到?。┑姆绞脚帕泻筮M行分組，再按容值升降相間的方式進行超級電容陣列的排列。
基于對已了解路工況信息進行分析，得出較為優(yōu)化的控制策略參數(shù)的是確定性控制策略，該策略最典型的是簡單邏輯門限控制策略和含有濾波思想的邏輯門限控制策略，這兩種方法都是基于獲得行駛道路工況的平均功率，汽車在正常行駛過程中由蓄電池供應(yīng)平均功率，超級電容供應(yīng)尖峰或超出部分功率。
啟發(fā)式控制策略，基于反映基本原理的假設(shè)或公式，根據(jù)這些假設(shè)或公式推導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)值。這種控制方法的最大優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，只要了解系統(tǒng)部件的一般信息（如電池和超級電容允許的最大充放電電流等），而不要預(yù)先了解行駛道路工況信息。啟發(fā)式控制方法最典型的就是釆用基于當前車速的功率分配控制策略，公交車在該種車速下行駛的穩(wěn)態(tài)功率由電池供應(yīng)，由超級電容供應(yīng)瞬態(tài)功率。
非確定性控制策略，是基于隨機方法、模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，實現(xiàn)公交車在行駛過程中，功率分配的實時優(yōu)化。雖然非確定性控制策略非常適用于解決難以用數(shù)學(xué)表達式表達的復(fù)雜優(yōu)化問題，但無法保證采用這種控制策略的公交車能適用每一種行駛工況。另外，這種方法實現(xiàn)非常復(fù)雜，該控制策略最典型的就是采用模糊邏輯控制策略，將公交車要的功率和蓄電池與超級電容的荷電狀態(tài)模糊化，以此來實現(xiàn)需求功率的合理分配。非確定性控制策略的制定大多以確定性或是啟發(fā)性控制策略。
制動能量回收策略，當電機處于再生制動狀態(tài)時，這時超級電容荷電狀態(tài)SOC0.95時，那么電機所出現(xiàn)的功率將全部由超級電容回收。假如超級電容SOC>0.95，則通過制動電阻把多余能量消耗掉。
