基于混合储能系统电动车的研究.docx

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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，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

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

2.3DC/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K11

3.3SOC估算模型的建立11

3.3.1SOC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

3.3.5SOC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乩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门

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毎

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2-1铅酸电池充放电与时间的关系

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。

图2-2温度与充放电曲线关系

1—-30C;2—-25C;3—-15C;4—-5C;5—5C;6—15C;7—25C;8—33C2.1.3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

30-40

90

150-200

500-1000

成本低，充电慢

大量生产

镍氢电池

75-80

130-170

160-230

600-1200

无污染，可快速充电

较大批量

锂电池

100

140-200

250-450

800-1200

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

图2-3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--Q2,电

压变化Ui――◎，电容器组储存、释放的能量E为:

1（Q22-Q12）

（2-1）

E=-

2C

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[0.51]，其内阻Rc消耗的

能量Er为:

设超级电容的时间常数T为RC充电深度B=U1/U2放电深度B=U/U1，由式2-1、

2-2得充电效率nc和放电效率n关系式如下:

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t、充放电时间t和放电深度B）。

T为6QF时，B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30C时还可以继续工作，如图2-6所示。

图2-6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Ri，自放电损失R2

图2-7电容等效RC模型

（2-5）

1；

Ic=Io10dt

R2C0

ic

R1

c

V

图2-8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,iO—存储在超级电容系统中的

净电流［A］;R2-自放电电阻［Q］,C—电容。

（R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。

ess2pwH（K3a

图2-9复合系统中超级电容模型图

2.3DC/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专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/D（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/D（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的。

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。

屯•但

图2-14DC/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专换器的性能特点，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竹。

图3-1复合和储能电源的结构示意图

图3-2超级电容器与蓄电池并联系统电路图

表3-1两种连接方式的优缺点比较

连接方式

优缺点

用电池和超级电容单独与DC/DC转化器连接电机控制器

电压变化范围大，控制较方便，效率比较低

蓄电池和超级电容之间用一个双向DC/DC转换器连接，再与电机控制器连接，图37所示，电路图如图X所示

电压变化范围小，容易控制，效率较高

3.1.2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凶。

这样就提高了能量的利用率。

如图3-3所示。

正師讓工观

图3-3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M。

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

G1

P1

E1

超级电容器

G2

P2

E2

三个约束条件为:

Ej亠E2丄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：

Vlink_1

Vscmin1_D

其中D为最高允许循环频率（Dmax=0.75）

约束式可写成：

MM!

N2M2_G

NjM1PsjN2M2，Ps2_P

N1M1ESN2M2ES2-E

N2V2丄Vscmin

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：

Z=Z（N「N2）=N1M1C1N2M2C2

根据PNG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=100kgP=25KW

E=1500whWn=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：

N1V1-Vm.

scmin

N1V1=N2V2

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&

表3-3复合系统的匹配结果显示表

Psucw/kg

Esuc

Wh/kg

N1

N2

电池组重

量kg

电容器重

量kg

电池组能

量wh

420

4

14

68

68.46

40.8

1990

电容器能

总重量

90%效率总

总能量

P/E

总费用

比价

量wh

Kg

功率kw

Wh

w/wh

$

$/kwh

163

109.26

46.2

2153

21.5

6260

2900

3.2.1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V。

降低到V/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。

3.3SOC估算模型的建立

对于混合动力汽车整车控制来说，电池SO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so精确估算等问题进行研究'---I

3.3.1SOC模型的构成

电池在某一时刻的SO值:

（3-1）

soq=SOC°:

一soc

式中t时刻的电量为socn初始电量soc,电量变化厶sog

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

1C

2C

3C

充电/放电稳定时间

（min）

37/31

46/39

53/57

3.3.3过程Soc的估算

过程soc估算公式为：

（3-2）

1

soc二KicKidKt.I（t）dt/Q

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：

1

SOC二hKrSOQ1-）KSOCICK}DKt（K）I/tdtQ（3-3）

0

表3-5（3-3）式中各项对应表示

项目

对应表不

t时刻的SOC值

SOCt

开路电压对应的初始SOC值

SOC.

上次充放电结束后系统储存的SOC值

SOCs

与电池搁置时间相对应的系数

Kr

充电电流对电浚积分的修正系数

Kk

放电电流对电浇积分的修正系数

溫度因素对电浣积分的修止糸数

Kr

电池在t时刻的工作电渣

I

蓄电池额定电量

Q

3.3.5SOC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#到后，可得出电池的各个时刻的SOC值。

图3-7SOC估算策略流程图

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

ibic

VbQC十V（S）Q

oo

（a）（b）

图4-1锂离子电池和超级电容器直接并联等效电路模型

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，&=200m」，Rs=10m1,C=30F，负载的脉冲周期T=8s，占空比D=0.2，电流幅值I。

=30mA。

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：

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53—55．

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Act,a,2000，45：

2483--2498．

[11]王贵明，电动车动力蓄电池试验建模研究[D]：

[硕士学位论文]。

北方工业大学，2003.

致谢从毕业论文选题到论文完成，韩丙辰老师给予了我耐心指导与热情帮助。

感谢韩老师，感谢大同大学，特别感谢物理与电子科学学院四年来为我提供的良好学习环境，最后感谢同一组同学的无私合作与支持，让我顺利完成学业，谢谢。

BasedonTheHybridEnergyStorageSystemElectricVehicle

Research

Abstract：

Thesupercapacitorhasashortchargingtime,longservicelifeandgoodtemperaturecharacteristics,saveenergyandenvironmentalprotectionandotherfeatures,isanewenergystoragedevice.ThehybridenergystoragesystemCombinesthemanyadvantagesofthebatteryandthesupercapacitor,inordertoincreasethepoweroutputcharacteristicsandenergyoptimizationforthepurpose,basedonthesupercapacitorandbatteryelectricvehiclehybridenergystoragesystem,toestablishahybridenergystoragesystemmodelandcontrollerwasstudied,Thefinalanalysisofsystemperformance.

Keywords：

hybridenergystorage;supercapacitor;batteries