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电池/超级电容器能量储能
摘要：为了进一步提高混合动力汽车传动系统的使用寿命和性能，最具挑战性的任务之一是提高电能存储在电力和能源方面的性能。在电池中化学储存电能的过程受到损失、功率限制和有限使用的影响。通过引入超级电容器作为辅助来增加系统功率并减轻电池的应力，提高了组合式储能单元的性能。为了评估增加的性能，构建并评估DC/DC转换器以验证模拟并改进对系统的理解。使用MATLAB/Simulink进行仿真，研究不同控制策略和系统设置对电池应力的缓解。在超过20F的超级电容器进行NEDC驱动循环的系统中，可以将系统效率提高2.5％，将电池应力降低25％，将电流降低至32.5％。为此，有必要利用智能功率管理，将负载功率的所有高频部分传输至超级电容器。能量存储单元的效率和功率得到了改善，并且清楚地显示了当引入超级电容器时电池应力降低。
关键字：超级电容器，超级电容器，HEV能量存储，电池应力，HEV电池
- 背景介绍
环境问题造成了对更节能车辆的需求，具有内燃机（internal combustion engine，简称ICE）的传统车辆将化学储存的能量（汽油，乙醇，柴油等）转化成动能的过程中，遭受着能量损失。将ICE与电能存储和驱动系统相结合可以通过多种方式提高燃油效率。电力推进系统允许内燃机通过在需要时向车轮提供额外动力而接近其最佳工作点，并在ICE产生过量电力时吸收功率。混合动力电动汽车（hybrid electric vehicles，简称HEV）的另一个好处是，在制动时，能量可以被电气系统吸收，而不是通过摩擦制动器将所有动能转化为热量。电能存储通常由电池组成，电池具有或多或少复杂的支持电子设备以用于充电控制和错误预防。存储单元必须存储相对大量的能量并处理高功率。使用当前的电池技术，能量存储容量以降低的功率能力为代价，并且现代电池的使用寿命取决于充电周期。通过引入超级电容器作为辅助，可以避免电池峰值出现，从而使电池能够优化储能或延长给定电池的使用寿命，从而降低整个装置的成本。为了充分利用超级电容器，需要电压转换器，这当然应该尽可能高效和简单，通过转换器，还可以对功率流进行复杂的控制，如果使用适当的策略，可以改进系统。
本文目的是调查和评估组合电池和用于混合动力车辆应用的超级电容器存储单元。重要的方面是研究对引入超级电容器时影响其寿命的电池应力的影响进行评估系统效率的变化并创建一个有效的模拟模型。此外，一个实际的DC / DC转换器将被设计，构建并组合安装储能单元。所选系统将被组装以验证理论和模拟效率。
- 系统纵览
- 混合系统目的
化学结合的能量载体（例如汽油或柴油）与动能之间的转化仍然在混合电动车辆（HEV）中提供主要的推进能量，能量载体为内燃机（ICE）提供能量，可以将杂交与其他更环保的能量载体（例如燃料电池或基于乙醇的能量载体）结合使用。引入混合动力传动系统的主要目的是减少燃料消耗并改善效率，有许多不同的技术和配置可用于利用车辆的混合并优化能源效率。
一、平滑功率。车辆的瞬时功率要求由许多不同因素决定，如驾驶风格，风阻和道路坡度，这些因素使得瞬时功率需求波动并且功率需求变化的频率可以并且在许多情况下确实影响正常非混合动力车辆的负面燃料消耗。带ESU和电机（EM）的HEV提供充当低通滤波器的功能，并为传动系统提供所需的额外功率，另一种可能性是从ICE接收多余的电力，这允许ICE尽可能接近其最佳效率工作点。
二、再生制动。在操作HEV时，可以再生车辆在加速期间获得的一些动能。在传统的车辆中，制动能量通过摩擦制动器转化为热量，然而在HEV中，可以将能量转换回电力并为电池充电。在没有安装超级电容器的HEV中，有可能回收约20％的制动能量（取决于功率，车辆和电池技术），剩余的动力消耗在传统的摩擦制动器中。这个限制主要是因为如果电池处理的瞬间功率很大，可能会损坏电池，如果在HEV中安装超级电容器，则由于超级电容器的高功率能力，该限制可能会增加。
- 混合电动汽车拓扑结构
混合动力电动车辆中的电力传动系可以与ICE并联或串联（或两者）。 该拓扑结构将确定来自电气系统的功率要求。
- 串联式
在串联混合拓扑结构（图2.1）中，ICE仅连接到一个发电机，该发电机将来自ICE的所有能量转换为电力。 然后将电力馈送到电牵引电动机。 ESU起着缓冲作用，以实现上述优点。 由于ICE未连接到车轮，电气系统必须提供所有的牵引力。 这种配置的缺点是无数的能量转换，这对系统效率有负面影响，并且对所有电气部件有更高的需求，这些电气部件必须能够承受汽车所需的所有功率。
图2.1 串联混合拓扑结构
- 并联式
并联装置（图2.2）允许电气系统与ICE并行提供牵引力，ICE通过变速箱连接到车轮。与串联拓扑相比，并联混合电路具有更多的自由度。车辆可以由ICE或EM单独驱动，也可以两者结合使用，电气系统的功率需求可以自由选择。
图2.2 并联混合拓扑结构
- 储能单元
汽车中的能量存储单元（ESU）处理电能的存储并且用作电机的缓冲器。ESU有可能通过DC / AC逆变器，接收或者向电机输送或输送电力。根据应用和尺寸参数，如车辆的混合程度和尺寸，可以将ESU配置为不同的组合。有必要有一个存储实用程序，它可以是电池或超级电容器或两者的组合，以作为能源和电力的来源。在本论文中，将研究由超级电容器与电池并联组成的组合。如果需要控制功率流或需要具有不同的电压水平，则必须安装与电池或超级电容器或两者串联的转换器。如果转换器与电池串联安装，则可以通过电源控制功能直接控制电池的电源。这种配置的主要缺点是超级电容器上的电压电平波动，导致外围设备电压波动。另一种可能的组合是安装两个转换器，一个与超级电容器串联，另一个与电池串联，但这会导致系统不必要的复杂性。因此，在本论文工作中，转换器已经与超级电容器串联安装。配置如图2.3所示。
图2.3 储能系统半主动式拓扑结构
- 电池
在HEV应用中，所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，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线性地遵循重量和体积，线性因素被称为能量密度，电池可以提供的最高功率也是有限的以功率密度测量。市场上有多种不同的电池类型，对于高功率应用，有两种主要感兴趣的技术，即NiMH和Li-Ion。
- NiMH
NiMH电池是曾经有前途的NICN电池的继任者，这有其固有的问题。NiMH技术的引入使得相对于NICN的比能量增加了40％以上。镍氢电池也被认为对环境友好，因为它们中没有有毒金属。HEV应用的主要缺点是在失去容量之前，可以提供的最大充电放电周期数量较少。
- Li-Ion
市场上一种相对较新型的电池是锂离子型电池，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LixC代替。锂离子电池组具有更复杂的结构，与其他类型相比，在许多方面是更苛刻的电池，与镍氢电池相比，锂离子电池具有更快充电和放电的可能性，并具有更高的比功率，电池电势也被认为是明显的，开路电压通常为4.15V /电池。锂离子电池的另一个优点是它可以管理比NiMH更多的充放电循环（约1小时充电约1200次，放电速率1小时），自放电率相对较低。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，最严重的情况是会损坏电池。
- 电池模型
电池通常用内部电阻进行电气模拟。 对于本文的工作，戴维宁等效模型被认为是足够的，并且这个电池模型如图3.1所示。
图3.1 等效电池模型
ESRBatt是等效串联电阻，电池开路电压标记为VOCBatt，组件的价值取决于温度，健康状况（SOH），充电状态（SOC）和电流，虽然SOH很难确定，但如果温度和放电电流已知，则可通过电池的实验数据确定SOC。 串联电阻是效率计算和输出电压的最重要因素，随着功率输出的增加，输出电压将下降，并且由于电阻器上的电压下降，输出电压随着功率输入而升高。而且，电阻中的功耗是热损耗，由于电池模型和上述因素之间的内阻是变化的，因此对该变量的动态估计非常复杂，并且需要深入了解电池类型中的化学反应，因此在此模型中选择恒定值。为了估计不同工作点的电池效率，需要使用基本的电气关系，通过假定最大额定功率下的电池效率为85％，串联电阻可以计算为：
- 超级电容
电容器的电容与电极的表面积以及它们之间的距离密切相关，电容可以物理地描述为：
（3.2）
其中ε是电极之间的电介质的磁导率，与电容器相比，超级电容器是与电容器相比具有比较高的比功率能力的组件，然而它具有比传统电容器更高的比能量，更像电池。电化学超级电容器由碳化多孔材料构成为一个电极，由于空腔而具有大的表面积。另一个电极是通过电极之间的隔离层电隔离的液体化学导体，介电层的厚度等于电极之间的距离。为了具有高电容，隔离器非常薄，通常为十分之几纳米。由于这些因素，根据等式（3.2）完成高电容。电极之间的最大电压差与隔离器的介质击穿有关，这又与其厚度和材料有关。由于超级电容器采用薄型隔离器，每个电池的最大电压变得相对较低，为了避免电介质击穿，电压为2-4V。
- 超级电容模型
有许多不同的方法来模拟超级电容器的电特性，本工作中使用的模型如图3.2所示，其中C0表示标称电容，其取决于开路电压，ESR是等效串联电阻，这是造成损失的主要原因，EPR是等效并联电阻，可用于模拟自放电。串联电容器和电阻的另一种应变可以被添加到更好的模型动力学中，但是在这项工作中这不被认为是必要的。
图3.2 等效超级电容模型
- 单体电池参数平衡
HEV应用的超级电容器单元和电池都由多个电池串联和/或并联组成，如果由于制造不一致造成各个单元的参数值不同，则每个单元的电压在操作期间将不相同。为确保不超过每个电池的最大电压电平，需要进行平衡。平衡可以通过无源或有源电路来实现，有许多不同的方法可以实现单元之间的平衡：
用电阻器进行被动平衡是最简单的平衡配置，该电阻器连接在每个单元上，这种配置的功率损耗很高；
开关电阻类似于无源平衡类型，但与电阻串联的开关不同，当达到最大电池电压时，开关能够打开电阻，开关电阻网的主要缺点是需要测量每个电池的电压；
采用DC / DC转换器进行主动平衡; 每个电池上的电压通过相对较小的转换器被主动均衡，这种设置唯一的损失是转换器的损失，但主要缺点是它需要大量的损耗组件和更高的复杂性；
另一种是使用二极管而不是电阻器，让电流能够旁通，这种配置的损失发生在二极管中。
- DC/DC转换器
由于超级电容器上的电压随SOC而变化很大，而电池电压相当稳定，所以它们之间需要一个DC / DC转换器，该转换器还具有电力潮流控制的优点，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至关重要的。
通用开关DC / DC转换器通过切换电压（U1）来实现另一个电压（U2）。图3.3显示了一个简化的操作，如果U2被低通滤波并且假定为无损开关，那么在U2上产生的DC电压是平均电压，平均值是方波幅度和导通时间与关断时间之比（占空比）的函数。
图3.3 开关波形
- 半桥转换器
与其他配置相比，半桥转换器的优点在于经受高电流和/或电压的部件的数量减少，功率元件的数量增加了转换器的损耗以及生产成本，半桥也是有利的，因为有源元件的应力降低，半桥转换器中开关晶体管上的电压仅为反激式或正激式转换器所需电压的一半。如果增加另一层级的复杂性，则有全系列的全桥转换器，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应用永远不需要处理负电压的能力，因此得出的结论是处理全桥转换器的复杂性是不必要的。
在半桥设置中，由于成对切换，续流二极管可省略，由于正常的开关二极管在导通时具有不可忽略的正向压降，所以使用另一晶体管的方法是有利的。然而，晶体管中的寄生二极管的反向恢复时间通常比经过优化的开关二极管长，这可能会使电桥短路，并可能导致通过晶体管的高瞬态电流，因此实验电路适用于两种设置并进行测试，图3.4给出了一个简化的示意图。半桥拓扑结构的一个约束是一方必须具有比另一方更低的电压，这使得超级电容器上的电压永远不会超过电池电压。
图3.4 半桥转换器
该功能可以描述为双向降压或升压转换器，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值，半桥可用作降压转换器，如果平均电感电流为负值，则半桥可用作升压转换器。在升压操作期间，转换器试图稳定电池上的电压与电容器上的电压和占空比之间的关系，相反，在降压模式下有效。有关降压操作期间通过电感器的电流的原理图，请参见图3.5，在升压模式期间，请参见图3.6。
图3.5 buck等效电路 图3.6 boost等效电路
IL，t1是上晶体管（t1）处于on状态时电感上的平均
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