基于混合储能系统电动车的研究

基于混合储能系统电动车的研究摘要：超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点,是一种新型储能装置。

混合储能系统结合了蓄电池和超级电容的诸多优点，本文以提高动力电源的输出特性与实现能量的优化匹配为目的，研究了基于超级电容器与蓄电池的电动车混合储能系统，建立了混合储能系统的模型并对控制器进行了研究，最后分析了系统电池性能。

关键词：混合储能系统;超级电容器;蓄电池目录引言 (1)1 复合电源的优势及研究意义 (1)2 电源特性介绍及复合电源建模 (1)2.1 蓄电池特性 (1)2.1.1 蓄电池的充放电特性 (1)2.1.2 蓄电池的温度特性 (2)2.1.3 混合动力车用蓄电池的选择 (2)2.1.4 蓄电池的容量特性 (3)2.2 超级电容器的特性 (3)2.2.1超级电容的充放电特性 (3)2.2.2超级电容的温度特性 (4)2.2.3超级电容模型 (5)2.3 DC/DC 转换器的介绍 (6)2.4 本章小结 (7)3 复合电路结构及复合系统参数匹配 (7)3.1 复合电源的基本结构和工作原理 (7)3.1.1 复合电源的基本结构 (7)3.1.2 复合储能电源的工作原理 (8)3.2 复合系统的匹配参数优化 (9)3.2.1 蓄电池和超级电容电量状态控制参数 (11)3.2.2 电容能量利用系数K (11)3.3 SOC 估算模型的建立 (11)3.3.1 SOC模型的构成 (11)3.3.2 初始SOC 的估算 (12)3.3.3 过程SOC 的估算 (12)3.3.4 蓄电池SOC 估算模型的建立 (13)3.3.5 SOC 的估算策略 (13)3.4 本章小结 (14)4 电池的性能分析 (15)4.1混合储能系统的分析 (15)4.2 混合储能电源的分析 (15)结束语 (15)参考文献: (15)致谢 (16)引言混合储能电动汽车近年来发展很快，但电池方面一直是影响电动车迅速发展的关键技术[1]。

超级电容器用途广泛：用作电力平衡的电源，可为起重装置实时提供超大电流的电力；用作启动电源，启动的效率和可靠性是远高于蓄电池的，有时几乎可以取代蓄电池；作为激光武器的脉冲能源，在低温下用在军事战车上可以保证其正常启动。

此外用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车（能为混合储能电动车在启动停车和加减速、换档时提供辅助的动力）、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车[2]。

1 复合电源的优势及研究意义我们考虑使用蓄电池和超级电容构成复合储能系统来解决混合动力汽车制动提速或上坡时能量瞬时输入/输出的问题。

大电流输入输出会大大降低电池的使用寿命，复合储能电源中由于有了超级电容的加入，全部的能量或功率不再由一个部分来提供。

复合储能系统可以保护环境且大大提高了能量的利用效率。

所以由超级电容器与蓄电池组成的复合储能系统是解决电动车进入实用领域的一个非常可行的方法[3]。

混合动力汽车在我国发展时间较短，但我国与其他科技发达国家的研究进度相差不多，我们应该抓住时机，努力发展混合储能动力汽车。

2 电源特性简介及复合电源的建模本章研究建立蓄电池和超级电容模型的方法，然后通过合理的配置可建立复合系统的模型[4]。

2.1 蓄电池特性2.1.1 蓄电池的充放电特性铅蓄电池充电过程中这时电能储存为化学能，放电时化学能转换为电能输出。

由图2-1可知用大电流充电会缩短充电的时长。

图铅酸电池充放电与时间的关系2-12.1.2 蓄电池的温度特性当蓄电池在不同的温度下充放电时，其电压会发生变化。

当温度较低时，放电电压低而充电电压高。

如图2-2所示。

2-2图温度与充放电曲线关系1—-30℃；2—-25℃；3—-15℃；4—-5℃；5—5℃；6—15℃；7—25℃；8—33℃2.1.3 混合动力车用蓄电池的选择电动车中最难解决技术就是储能电源的选择，近年来用于混合储能动力汽车通常使用铅酸电池、镍氢电池以及锂离子电池，这些电池都是通过极板与电解液之间的化学反应来进行储能。

下面我们通过表2-1 来对比这几种电池。

2.1.4 蓄电池的容量特性蓄电池能放出的功率有限，大电流快速充放电时，极板上迅速产生极化现象且内阻大幅增加，充放电效率明显降低。

如图2-3所示。

2-3图各种电池不同放电倍率下的可用容量2.2 超级电容器的特性 2.2.1超级电容的充放电特性超级电容的充电速度非常快，充电十秒至十分钟就能达到其额定容量的百分之九十五以上。

恒定的充放电电流I ，充放电时间t ， 电量变化Q 1—— Q 2，电压变化U 1——U 2，电容器组储存、释放的能量E 为：C)Q1-(Q221E 22 (2-1)所以当电容的电量还剩二分之一时，所剩能量还有百分之二十五,再让电容放电，没有多大的能量可以使用，我们假设充放电区间为[0.5 1]，其内阻R C 消耗的能量E R 为：tQ2)-(Q1R t R I E 2C C 2R == (2-2)设超级电容的时间常数τ为RC ，充电深度β=U 1/U 2放电深度β=U 2/U 1，由式2-1、2-2 得充电效率ηc 和放电效率ηd 关系式如下：)121(2+-+=+=ββτηt tE E ERc (2-3))121(21+--=-=ββτηt E E E R d (2-4)超级电容的充放电效率特性如图2-4 所示（不同的时间常数τ、充放电时间t 和放电深度β）。

τ为6ΩF 时，β为0.5 时，超级电容器组的充放电时间与效率的关系如图2-5 所示。

2-4图充放电时间、深度和效率的关系 2-5图充放电时间和效率的关系 由时间常数和效率之间的对应关系可知当我们在选择超级电容器时，需要兼顾这两个因素，既能满足实验要求也需要降低成本。

2.2.2超级电容的温度特性超级电容有很好的低温特性，在摄氏零下 30 ℃时还可以继续工作，如图2-6所示。

2-6图某一超级电容器的温度特性2.2.3超级电容模型我们选择经典RC 模型。

如图2-7所示，其中充放电电阻R 1，自放电损失R 2。

2-7RC 图电容等效模型00201tC I I I dt R C =+⋅⎰ (2-5)icR12-8图超级电容等效电路模型如图2-8所示，ic —流进超级电容系统的电流A,i0—存储在超级电容系统中的 净电流[A]；R2—自放电电阻[Ω],C —电容。

⎰⋅+⋅=tC C dt I C I R V 0011 (2-6)（R 1 是充电电阻）如图2-9所示混合储能电源系统中的超级电容模型图。

2-9图复合系统中超级电容模型图2.3 DC/DC 转换器的介绍转换器能量流动的方向只能是单向的，所以大多数DC/DC 转换器只能单向工作的（图2-12）。

当要使能量双向流动时，可使用双向DC/DC 变换器（图2-13），它具有保持变换器两端的直流电压极性不变的特点。

双向DC/DC 变换器有使能量双向传输，使用的电力电子器件数目少，体积小、效率高和成本低等优势[5]。

+ I1I2 +I2 +能量正向流动i1<0 , i2>0能量反向流动i1<0 , i2>02-12/DC DC 图单向变换器2-13/DC DC 图单向变换器因为现在还没有一个完整的适合复合电源用的DC/DC 转换器，所以将DC/DC 转换器视为理想的模型，没有考虑效率问题。

图2-14为DC/DC 变换器与蓄电池连接示意图。

2-14/DC DC 图变换器与蓄电池连接示意图2.4 本章小结本章详细介绍了蓄电池、超级电容、DC/DC 转换器的性能特点，为下一章建立蓄电池超级电容复合储能系统的模型及复合电源控制系统的制定作好了理论基础。

3 复合电路结构及复合系统参数匹配 3.1 复合电源的基本结构和工作原理 3.1.1 复合电源的基本结构对比复合电源连接方式,表3-1,通过对比本节选择蓄电池和超级电容并联构成的复合储能电源的连接方式 。

3-1表两种连接方式的优缺点比较图复合和储能电源的结构示意图3-1图超级电容器与蓄电池并联系统电路图3-23.1.2 复合储能电源的工作原理由超级电容和蓄电池组成的复合储能电源系统，在汽车正常行驶时，只有蓄电池给超级电容充电。

当电动汽车上坡或者加速行驶时，电动机由超级电容和蓄电池共同提供能量动力。

当汽车制动或下坡行驶时，电动机此时相当于发电机，其产生的能量通过双向DC/DC 转换器为超级电容迅速充电，此外还有剩余能量时再被蓄电池吸收[8]。

这样就提高了能量的利用率。

如图3-3所示。

3-3图复合动力系统工作模式3.2 复合系统的匹配参数优化电源系统的设计是一个折中优化的过程，要从能量、功率和循环寿命方面综合考虑，同时兼顾投入资金和维护方便性及工作可靠性等方面。

在满足需求的情况下减低成本，并提高系统的维护和使用的可靠性，且电源系统的工作效率还要提高，对超级电容器还应有足够的制动能量回收效能[9]。

表3-2是要求满足的三个量及系统中各元件对应的参量值：三个约束条件为：12G G G +≤12P P P +≥ 12E E E +≥除上述约束条件外，还得考虑正确的界面尺寸标准，电池组额定电压必须在电机电压范围内，不得低于电机最下电压值，所以需要设定一个额外的约束条件：min 11link sc V V D=- 其中D 为最高允许循环频率（Dmax=0.75）约束式可写成：1122N M N M G ⋅+⋅≥ 111222S S N M P N M P P ⋅⋅+⋅⋅≥ 11222S S N M E N M E E ⋅⋅+⋅⋅≥22min sc N V V ⋅≥复合系统的造价是电池和电容重量、单体数量和比价的函数。

所以总造价为：根据PNGV 对电源系统的要求，再加上所设计的电源系统是针对混合动力轿车原电池系统，由该车的性能要求得复合系统的约束条件是:G=100kg P=25KW E=1500wh V min =120V 。

据电容电压的控制算法，汽车在城市循环工况中，平均车速保持在20km/h 内，这个车速范围内电容单节电压会基本保持在最高。

电压2.4V -2.5V 之间，为了保证DC/DC 有较高的转换效率，设计中就要求电池组和电容器的端电压尽量接近，则以上约束条件为：11min N V V ⋅≥min22sc V N vV ≥ 1122()G N M N G M -⋅⋅≤111222()S S P N M P N P M P -⋅⋅⋅≥⋅12111222(,)Z Z N N N M C N M C ==⋅⋅+⋅⋅111222()S S E N M E N E M E -⋅⋅⋅≥⋅1122N V N V ⋅≅⋅这样从约束条件中电池每取一个数量值，电容就对应一个较佳的数量值，为了便于同原车电源系统进行比较，设计使电池组系统电压与原车电池组电压一致，若复合系统电池组仍然采用14节电池搭配的形式，电容器最高电压与电池组在额定电压接近情况下节数应为68节，假设电容器同电池组安装费用相同，即也是407$/kWh ，最后复合系统的参数匹配结果如下表3-3所示[10]。