怎樣設計一款鋰電池超級電容複合動力電源

如果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，應用起來，也比較繁瑣。曾經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，所以需要乘客等待充電；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，在實際應用中需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合使用，各取所長，則顯得更為實用。以鋰電池與超級電容配合使用為例。

電動汽車複合電源的優點

複合電源採用超級電容器和動力鋰電池電池儲能裝置相結合，主要考慮到以下幾點：

1)聯合使用動力鋰電池和超級電容的目的在於，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；

3)複合電源系統能夠充分發揮超級電容器高速率快速充放電、高比功率的優勢，同時超級電容能夠快速吸收瞬時大功率制動能量，提高整車系統的能量利用率；

4)當需要相同的功率和能量時，複合電源系統的費用、體積和重量遠優於單一電源。

1 複合電源的一般拓撲形式

目前，超級電容和蓄電池複合電源電動汽車主要採用並聯結構，蓄電池和超級電容

器連接的位置不同，相應的控制策略也不同。複合電源的連接方式主要分為以下四種，

第一種並聯方式，結構最簡單，所需器件數目最少，但由於沒有雙向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主要取決於各電源的內阻大小，直流母線側電壓變化範圍受蓄電池端電壓所限，超級電容器只能在蓄電池電壓發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，未能充分發揮超級電容與負載匹配的優勢。

第二種並聯方式中，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。這種結構形式，蓄電池連接的直流母線電壓在系統充放電過程中變化相對較小，且蓄電池基本工作在恆流方式，蓄電池的充放電電流得以優化。

第三種並聯方式下，蓄電池經過雙向 DC/DC變換器與負載連接，可以優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提供電動公交車啟動/加速時的功率輸出和減速剎車時的制動能量回收。但由於超級電容器端電壓隨充放電過程指數形式變化，特別對於小容量的超級電容器，很難充分發揮超級電容瞬時大功率充放電的特點。

第四種並聯方式下，超級電容器和蓄電池均通過雙向 DC/DC 變換器與負載相連，此時電壓調控範圍大，靈活性很高，但由於採用了兩個 DC/DC 變換器，整個系統的複雜度和控制的難度增加，降低了系統的效率，系統的成本也相應增加。

2 雙向DCDC

在複合電源系統中使用的雙向 DC/DC 變換器，需要實現下列功能：

1)穩定電壓。通過 DC/DC 變換器將直流母線的電壓穩定到系統所需的合適電壓；

2)傳遞功率。通過雙向 DC/DC 變換器，調節各電源的輸出功率，以滿足系統對能量和功率的需求；

3)高效率。功率變換器要有較高的轉換效率，儘可能減小自身的能量損耗；

4)較快的響應速度。對於只有超級電容迴路串聯DCDC的情形，當電池直接連接到直流母線上，直流母線出現瞬時大功率變化時，若變換器響應速度跟不上，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，需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，需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的 DC/DC 變換器必須是電流雙向可逆的。

3複合電源系統設計需要考慮的主要問題

3.1 如何確定超級電容與鋰電池的電量比例

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量的匹配。

比如，放電過程，首先依據經驗得來的系統輸出功率譜，體現最為常見的系統工作狀態和功率波動幅值；然後計算系統功率平均值；最後確定超級電容和鋰電池組的工作機制，能量密度高的鋰電池，理想情況是負責提供功率平均值以及平均值以下的電能；當負載出現尖峰時，超級電容用來填補峰值部分，盡量發揮其功率性能的優勢。

相應的，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任。在單純使用蓄電池的系統中，蓄電池組需要同時滿足下面幾個主要參數：額定電壓，工作電壓範圍，額定功率，峰值功率，最大回收電流以及總能量（總續航里程）。而在有超級電容參與的電源系統中，電池主要滿足電壓和總能量的要求。

因此，超級電容的數量應該取放電需要和能量回收需要的最大值，電池的數量由車輛的電能消耗率和續航要求決定。

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量，因此在複合電源系統中，對制動能量回收的量需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、制動策略、車輛速度決定，並受到能量傳遞鏈條中各個因素的影響。

車輛整備質量越大，車速越高，車輛具備的慣性越大，因而需要的制動力也就越大。但並不是全部的制動力都由電機反轉提供，主要是出於安全的考慮。使用混合制動系統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產生的功率，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：制動系統到電機再到電池。制動系統根據車輛運行情況，分配製動力；電機將制動力轉化成電能，反向輸送至儲能裝置，也就是超級電容；超級電容儘可能存儲最大比例的電能。過程中制動力分配比例，電機發電效率，超級電容充電效率，都會對最終充入超級電容內的電量產生影響。

3.3 如何考慮超級電容成組排列方式

根據能量與功率約束條件確定了超級電容單體個數以及並數m和串數n值之後，主要從串並關係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。

先串後並還是先並後串，也許從入行開始，我們早已經習慣了先並後串，因此這個問題已經不再被當做問題。有研究表面，串並順序對成組後模塊的可靠性會產生直接影響。直接上結論，我們常用的先並後串的結構形式，相對於先串後並形式，具有更高的可靠性，並且串並數量越大，效果越明顯。

由於超級電容單體存在不可避免的容值偏差，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，對於容值偏差太大的單體捨棄不使用。容值偏差在允許範圍內的單體，容值最小或是最大的幾個超級電容單體不能並聯在同一支路，可以根據容值偏差從小到大（或從大到小）的方式排列後進行分組，再按容值升降相間的方式進行超級電容陣列的排列。

4 能量分配策略策略

公交車複合儲能系統功率分配策略應該滿足：在保證整車動力性的前提下，複合儲能系統中蓄電池和超級電容都能發揮自身優勢、揚長避短；充分利用超級電容削峰填谷作用，減少大電流對蓄電池的衝擊，延長蓄電池使用壽命，提高充放電效率；最大限度的回收制動能量，提高整車能量使用率。

複合儲能系統功率分配策略主要有三類：確定性策略、非確定性策略以及啟發性策略。

基於對已知道路工況信息進行分析，得出較為優化的控制策略參數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，這兩種方法都是基於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提供平均功率，超級電容提供尖峰或超出部分功率。

啟發式控制策略，基於反映基本原理的假設或公式，根據這些假設或公式推導出相應的數值。這種控制方法的最大優點是實現簡單，只需要知道系統部件的一般信息（如電池和超級電容允許的最大充放電電流等），而不需要預先知道行駛道路工況信息。啟發式控制方法最典型的就是釆用基於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態功率由電池提供，由超級電容提供瞬態功率。

非確定性控制策略，是基於隨機方法、模糊邏輯或神經網路等演算法，實現公交車在行駛過程中，功率分配的實時優化。雖然非確定性控制策略非常適用於解決難以用數學表達式表達的複雜優化問題，但無法保證採用這種控制策略的公交車能適用每一種行駛工況。另外，這種方法實現非常複雜，該控制策略最典型的就是採用模糊邏輯控制策略，將公交車需要的功率和蓄電池與超級電容的荷電狀態模糊化，以此來實現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性控制策略。

制動能量回收策略，當電機處於再生制動狀態時，這時超級電容荷電狀態SOC≤0.95時，那麼電機所產生的功率將全部由超級電容回收。如果超級電容SOC>0.95，則通過制動電阻把多餘能量消耗掉。

複合電源系統，控制系統是實現系統性能最大化的關鍵。

本文主要整理自下列文獻：

1 張樂，採用權值分配優化的超級電容等效電路模型參數辨識；

2 胡美聘，電動汽車複合電源能量分配策略研究；

3 鄧姣艷，電動公交再生制動儲能系統研究；

4 鄧明，超級電容器輔助的電動公交車能量優化管理研究；

5 彭慶艷，超級電容車與純電動公交車適用條件分析；

（圖片來自互聯網公開資料）