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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11 复合电源的优势及研究意义12 电源特性介绍及复合电源建模12.1 蓄电池特性12.1.1 蓄电池的充放电特性12.1.2 蓄电池的温度特性22.1.3 混合动力车用蓄电池的选择22.1.4 蓄电池的容量特性32.2 超级电容器的特性32.2.1超级电容的充放电特性32.2.2超级电容的温度特性42.2.3超级电容模型52.3 dc/dc 转换器的介绍62.4 本章小结73 复合电路结构及复合系统参数匹配73.1 复合电源的基本结构和工作原理73.1.1 复合电源的基本结构73.1.2 复合储能电源的工作原理83.2 复合系统的匹配参数优化93.2.1 蓄电池和超级电容电量状态控制参数113.2.2 电容能量利用系数k113.3 soc 估算模型的建立113.3.1 soc模型的构成123.3.2 初始 soc 的估算123.3.3 过程 soc 的估算123.3.4 蓄电池 soc 估算模型的建立133.3.5 soc 的估算策略133.4 本章小结144 电池的性能分析154.1混合储能系统的分析154.2 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based on the hybrid energy storage system electric vehicle researchabstract：the super capacitor has a short charging time, long service life and good temperature characteristics, save energy and environmental protection and other features, is a new energy storage device. the hybrid energy storage system combines the many advantages of the battery and the super capacitor, in order to increase the power output characteristics and energy optimization for the purpose, based on the super capacitor and battery electric vehicle hybrid energy storage system, to establish a hybrid energy storage system model and controller was studied, the final analysis of system performance.key words ：hybrid energy storage; super capacitor; batteries1。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。2.1.2 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。1-30；2-25；3-15；4-5；55；615；725；8332.1.3 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。表2-1混合动力汽车车载蓄电池性能对比电池类别比能量w.h/kg能量密度w.h/l比功率w/kg循环寿命（次）备注商品化程度铅酸蓄电池30-4090150-200500-1000成本低，充电慢大量生产镍氢电池75-80130-170160-230600-1200无污染，可快速充电较大批量锂电池100140-200250-450800-1200充电较快试生产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。2.2 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q1 q2，电压变化u1u2，电容器组储存、释放的能量e为： (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rc 消耗的能量er 为： (2-2)设超级电容的时间常数为rc，充电深度=u1/u2放电深度=u2/u1，由式2-1、2-2 得充电效率c 和放电效率d 关系式如下： (2-3) (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、充放电时间t 和放电深度）。为6f 时，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。 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。2.2.3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r1，自放电损失r2。 (2-5) 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,c电容。 (2-6)（r1 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。2.3 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。 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。2.4 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6。 73.1.2 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。3.2 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：表3-2 系统中各元件对应的参量值重量功率能量蓄电池g1p1e1超级电容器g2p2e2三个约束条件为： 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： 其中d 为最高允许循环频率（dmax=0.75）约束式可写成：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 vmin=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：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$/kwh，最后复合系统的参数匹配结果如下表3-3所示10。表3-3复合系统的匹配结果显示表psucw/kgesucwh/kgn1n2电池组重量kg电容器重量kg电池组能量wh4204146868.4640.81990电容器能量wh总重量kg90%效率总功率kw总能量whp/ew/wh总费用$比价$/kwh163109.2646.2215321.5626029003.2.1 蓄电池和超级电容电量状态控制参数由蓄电池的充放电特性可知，混合储能动力车用蓄电池的电量状态值维持在0.6-0.8 之间是好，在这个范围内电池组的内阻较小，且属于浅循环状态，加上充放电功率的限制可以使寿命延长。我们选择其值范围为0.5-1。3.2.2 电容能量利用系数k电容的能量利用系数k即电容所用能量占电容总能量的比例，能量利用系数越高越有利于电容特性的发挥，这样电动车效率就越高；当k大于0.6后，经济性增加得不很明显，另外根据电容特性放电过程中电压从v0 降低到v0/2 时就已经有75%的能量放出，因此选用能量利用系数k=0.75。3.3 soc 估算模型的建立 对于混合动力汽车整车控制来说，电池soc是个相当重要的控制变量，它关系到诸如电池内阻、实际容量以及容量效率等参量，且电量维持型整车控制策略还要以其为计算参照，对发动机发出额外功率命令118-120。本节就如何对混合电池组soc精确估算等问题进行研究11。 3.3.1 soc模型的构成 电池在某一时刻的soc值： （3-1）式中t 时刻的电量为socn，初始电量soc0，电量变化soci。3.3.2 初始 soc 的估算 根据混合动力电动汽车行驶特点，蓄电池的初始 soc 估计可以分成两种主要情况：一是蓄电池较长时间不工作，这时蓄电池的开路电压已经稳定，可以作为衡量蓄电池 soc 的量度。二是根据上一次蓄电池停止工作时系统记录的 soc 值作为初始 soc 值，这种情况主要是由于距蓄电池上次充放电较短，蓄电池的开路电压还没有稳定，这时的开路电压值不能作为估计 soc 的度量。 蓄电池的充放电原理我们已经在前面介绍了。如图 3-4和图 3-5 所示，不同电流充放电结束后蓄电池开路电压的变化曲线。 蓄电池进行不同的电流充放电后，开路电压恢复的趋势大体相同，本文以 dv/dt=0.05v 为判断开路电压趋于稳定的条件，如表 3-4所示估算了不同充放电电流对应的开路电压稳定时间。表 3-4 充放电态开路电压稳定时间充电倍率1c2c3c充电/放电稳定时间（min）37/3146/3953/573.3.3 过程 soc 的估算 过程 soc 估算公式为： (3-2)3.3.4 蓄电池 soc 估算模型的建立 对初始 soc 和过程 soc 相加求和，建立 soc 估算的数学模型，表达式： （3-3）表 3-5 (3-3)式中各项对应表示 3.3.5 soc 的估算策略 soc 估算模型，流程如图 3-7所示,首先进行系统初始化。当电池开始工作后，用式(3-2)算出过程 soc。初始 soc 和过程 soc得到后，可得出电池的各个时刻的 soc 值。3.4 本章小结本章对混合动力汽车在电源总功率和总能量的需求以及出于复合系统的重量和造价方面的考虑，再经过某特定工况的实验循环，即得出复合系统的特性及影响因素,对复合系统进行了参数优化，建立了电池电量 soc 估算模型。4 电池的性能分析4.1混合储能系统的分析在模型分析的基础上，对稳态时锂离子电池和超级电容器支路电流进行分析，其中，负载的脉冲周期，占空比，电流幅值。稳态时， 当电源输出脉动电流时，流入蓄电池组的电流减小，大部分的电流流入超级电容器组。当电流源脉动停止输出时，超级电容器组输出电流给蓄电池组充电。这是因为超级电容器组的内阻小于蓄电池组的内阻，其端电压跌落也小于蓄电池组。4.2 混合储能电源的分析将蓄电池-超级电容器混合储能应用脉冲功率的负载中，由于超级电容器分担了大部分峰值电流，蓄电池承担的电流较小，因此，系统的峰值功率能够得到提高，蓄电池的放电过程得到了明显优化。结束语 本文使我从实用角度对混合储能系统有了整体认识。对于混合储能系统的研究，虽然不是一次全新的探索，但其实用性强，成为人们研究的重点。由于时间及其它一些外部条件的限制，本论文还只能说是基本完成，不够完善。在本论文的基础上，使我对混合储能系统有更深入的理解，也提高了我独立思考解决问题的能力。参考文献:1张鹊,欧海洋,胡海欢.超级电容器在电动汽车上的应用j,汽车工程师 2009(6) .2董恩培.双电层电容器j.电子科学技术.1981,8:19213mike d超级电容器应用：汽车的优势及前景 j张鲁滨译汽车维修保养2004，5：53554 by john m，miller and，ulartepaaeitosr as enegry bueffsr in a multiple zone eleertical disrtibution system，maxwell teehnologies，ine.5邢岩，黄立培，孙晓东. 组合式前端dc-dc 变换器j. 中国电机工程学报，2004，6：157-161.6 logue d l，krein p t. preventing instability in dc distribution systems by using power buf