超级电容-电池能量存储

超级电容-电池混合动力汽车能量存储系统

第四章超级电容-电池混合动力能量存储系统现状

在本系统中，电池具有高的能量密度和低的功率密度。而超级电容具有高的功率密度和低的能量密度。在前面的研究中，将电池与超级电容并联，如图4.1所示。由于超级电容具有较低的电阻，所以大部分电流从超级电容流过，而只有一少部分电流流过电池，这在某种程度上延长了电池的寿命。

图4.1电池与超级电容并联等效电路

V o：输出电压V B：电池电压I o：输出电流

I o=50A U C=90F R C+R OV=0.054 R ESR=0.01 V B= V UC=24V

如果图4.1的参数确定，我们可以根据电路的方程来预测负载的情况。图4.2为图4.1电路电流为常数时的仿真结果。

图4.2 超级电容-电池混合放电电流波形仿真

从t0到t1超级电容的电流如图4.2(b)所示。当电池电流缓慢上升

时，超级电容为电池提供了大部分能量。从t1到t2，电池为超级电容充电，这是由于电容等效电阻R ESR和R OV与R C之和不相等。在图4.1中我们可以看到V RUC+V UC=V RB+V B，但是V RUC≠V RB且V UC≠V B。因此，在t1时刻I总=0，由于V UC＞V B，电流从超级电容流向电池。

如果我们假设电池电压、输出电压、电阻和电容都是常数，可以得到闭合解。

从t0到t1，假设超级电容为电池完全充电，

从t1到t2，i UC变为

此时，，T p= t1-t0为电流脉冲宽度。在图4.2(d)中我们可以注意到在没加脉冲之前超级电容的电压为V UC0，在加脉冲之后它的电压变为V UC1。由于电池为超级电容充电，所以它的电压会立刻增加，它会继续增加直到V UC=V RB。当超级电容充电时，它的电流变化方向与t1时刻的相反。

第五章 超级电容-电池能量存储系统方案的提出

在图5.1中超级电容的电压比电池的电压高，我们可以 通过增加超级电容的存储能量保护电池，减少电池负极的硫化现象，使电池100%充电。电路中开关S的作用是：当电池

充电时绕过二极管，即开关S闭合，也就是说由于充电电流被二极管锁住，所以超级电容可以吸收所有制动刹车的能量。在超级电容的电压降到与电池电压相等之前，它提供了所有加速脉冲。这两个电路的不同之处在于二极管在电路中的位置不同，但这并不影响电路所起的作用。图5-1(a)的优点是：电池对于负载来说可作为电源使用，因为它的负极接地。图5-1(b)的优点是二极管的散热装置接地，而且如果使用半导体开关，控制开关S非常简单。当超级电容充满电时，此结构在不需要电池能量情况下，可为负载提供短时功率。如果脉冲长度T

> T pc，在T pc之后的时间里，由电池为系统提供能量。

p

如果二极管的电压为常数，系统的波形与图4.1的波形相同。作为可选择开关S，在电池充电时可以把它去掉，这种充电方法会在第六章中介绍。

图5.1 电池-超级电容混合能量存储系统的模型

正如前面提到的在t> T pc时，系统的工作情况与图4.1相同，只不过是在电池电压V B中要减去二极管的电压V D。在t< T pc时，超级电容的电流方程为

在汽车加速时，假设负载功率脉冲为常数，因此输出功率P o= v o(t )⋅ i

(t ) = 常数。把(4.5b)式和(由图4.1可得)代入UC

(4.6)式，得

将上式左右两端除以i UC(t)，得

再为i UC(t)求导，整理得：

式(4.7)不是闭合式，所以它的解是循环的。由式(4.5a)我们可以得到

如果设dt=△t，k为循环系数，

则

由式(4.6)得P o=v o i UC(t)，将代入得

将上式整理得

将式(4.8)代入整理得

上式的解为

由式(4.8)(4.9)我们可以模拟仿真电路的运行。

电路5.1(a)的仿真如图5.2所示。在0-9秒钟，系统的输出功率为10KW。电池只有在t> pc时才提供能量。超级电容为整个系统提供大部分能量。图5.2是仿真汽车加速的功率。

图5.2 功率脉冲仿真

从图5.2中我们可以看出在汽车加速过程中，超级电容提供了大部分能量。与单独使用电池的系统相比，超级电容加电池的系统并没有节约能量，它们与由电池单独供电的系统提供的能量相同。但是，本系统可以增加电池的寿命。由于超级电容的额定寿命要比汽车的寿命长，例如10年或是更长，所以能量存储系统的寿命是由电池决定的。本系统可以大大改善电池的寿命，这是因为流过电池的电流脉冲的数

量和大小都比由电池单独供电的小。

我们所关心的另一个重要方面是电池的尺寸。传统的系统需要电池电压高，存储能量大。例如需要3个12V，40AH的电池串联，系统理论电压为36V。而我们所提出的系统可以使用1个36V的超级电容与2个12V，15AH的电池就可以完成这个任务。超级电容的尺寸与重量与12V，40AH的电池相同。

本电路的另外一个特点是由于二极管的作用，制动刹车所产生的负的电流脉冲可以为超级电容充电。因此在制动刹车时，不再需要增加电池的数量。

第六章系统电池充电方法

图5.1中电池充电时，开关S要闭合，即电流绕过二极管D流向电池。这个过程实现的基本方法有两种：第一种方法电路如图6.1所示，开关与二极管D并联。第二种方法提供了与电池并联的一个独立的充电路径。第一种方法开关的结构非常简单，即一个机械的开关或是一个半导体开关。

图6.1 电池充电的第一种方法

开关与二极管并联电路的结构非常简单，但是存在许多缺点。其中，最主要的问题是在充电时，超级电容必须与电池的电压相同。因此，在开关闭合之前，超级电容的电压必须下降到与电池电压相同。为了降低成本，将开关电路设计成只能承受电池的充电电流，而这个