怎样设计一款锂电池超级电容复合动力电源
来源：宝鄂实业
2019-03-03 16:10
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如果超级电容的能量密度不能有大幅度的提高，单独在电动汽车上使用比较困难。即使是空间相对宽裕的大巴车，应用起来，也比较繁琐。曾经有纯超级电容电动大巴在实际中运营，它的姿势是这样的：只依靠乘客上下车的时间充电是不够的，所以需要乘客等待充电；前方有车辆挡住了充电位置，必须等待，泊车在特定位置方可充电；站点必须密集，最好不要超过2-3km间距。一站一充的供电方式，在实际应用中需要解决非常多的困难。相对而言，将超级电容与能量密度高的电源结合使用，各取所长，则显得更为实用。以锂电池与超级电容配合使用为例。
电动汽车复合电源的优点
复合电源采用超级电容器和动力锂电池电池储能装置相结合，主要考虑到以下几点：
1)联合使用动力锂电池和超级电容的目的在于，解决单一储能装置比功率和比能量的不足；
2)可以最大限度的减少蓄电池大电流充放电的频率，从而减少蓄电池的发热和能量损失，使蓄电池的工作条件得到改善，效率得以提高；
3)复合电源系统能够充分发挥超级电容器高速率快速充放电、高比功率的优势，同时超级电容能够快速吸收瞬时大功率制动能量，提高整车系统的能量利用率；
4)当需要相同的功率和能量时，复合电源系统的费用、体积和重量远优于单一电源。
1 复合电源的一般拓扑形式
目前，超级电容和蓄电池复合电源电动汽车主要采用并联结构，蓄电池和超级电容
器连接的位置不同，相应的控制策略也不同。复合电源的连接方式主要分为以下四种，
第一种并联方式，结构最简单，所需器件数目最少，但由于没有双向DC/DC 变换器，超级电容和蓄电池在任何时候都具有相同的电压。此时功率大小的分配主要取决于各电源的内阻大小，直流母线侧电压变化范围受蓄电池端电压所限，超级电容器只能在蓄电池电压发生快速变化时输出和吸收波动的功率，因而此种方式限制了超级电容的大功率充放电能力，未能充分发挥超级电容与负载匹配的优势。
第二种并联方式中，蓄电池和负载直接相连，超级电容器通过双向 DC/DC 变换器与负载相连。这种结构形式，蓄电池连接的直流母线电压在系统充放电过程中变化相对较小，且蓄电池基本工作在恒流方式，蓄电池的充放电电流得以优化。
第三种并联方式下，蓄电池经过双向 DC/DC变换器与负载连接，可以优化蓄电池的输入输出特性；超级电容器则直接与负载相连，此时超级电容可以很快地提供电动公交车启动/加速时的功率输出和减速刹车时的制动能量回收。但由于超级电容器端电压随充放电过程指数形式变化，特别对于小容量的超级电容器，很难充分发挥超级电容瞬时大功率充放电的特点。
第四种并联方式下，超级电容器和蓄电池均通过双向 DC/DC 变换器与负载相连，此时电压调控范围大，灵活性很高，但由于采用了两个 DC/DC 变换器，整个系统的复杂度和控制的难度增加，降低了系统的效率，系统的成本也相应增加。
2 双向DCDC
在复合电源系统中使用的双向 DC/DC 变换器，需要实现下列功能：
1)稳定电压。通过 DC/DC 变换器将直流母线的电压稳定到系统所需的合适电压；
2)传递功率。通过双向 DC/DC 变换器，调节各电源的输出功率，以满足系统对能量和功率的需求；
3)高效率。功率变换器要有较高的转换效率，尽可能减小自身的能量损耗；
4)较快的响应速度。对于只有超级电容回路串联DCDC的情形，当电池直接连接到直流母线上，直流母线出现瞬时大功率变化时，若变换器响应速度跟不上，则超级电容器便不能及时平滑蓄电池输出的峰值功率。此外，超级电容器需承担瞬时的大电流充放电来保护蓄电池，因而同一支路的DC/DC 变换器，需要承担大电流和瞬时电压的变化；
5)为了提高电动汽车的能量利用率，需要将再生制动的能量回收到超级电容器。因此，要求与超级电容器串联的 DC/DC 变换器必须是电流双向可逆的。
3复合电源系统设计需要考虑的主要问题
3.1 如何确定超级电容与锂电池的电量比例
先看车辆的需求，按照既定策略，从放电和制动能量回收两个过程考虑两类电源数量的匹配。
比如，放电过程，首先依据经验得来的系统输出功率谱，体现最为常见的系统工作状态和功率波动幅值；然后计算系统功率平均值；最后确定超级电容和锂电池组的工作机制，能量密度高的锂电池，理想情况是负责提供功率平均值以及平均值以下的电能；当负载出现尖峰时，超级电容用来填补峰值部分，尽量发挥其功率性能的优势。
相应的，再生制动过程，一般要求超级电容完全承担其能量回收的责任。在单纯使用蓄电池的系统中，蓄电池组需要同时满足下面几个主要参数：额定电压，工作电压范围，额定功率，峰值功率，最大回收电流以及总能量（总续航里程）。而在有超级电容参与的电源系统中，电池主要满足电压和总能量的要求。
因此，超级电容的数量应该取放电需要和能量回收需要的最大值，电池的数量由车辆的电能消耗率和续航要求决定。
3.2 如何考虑制动能量回收功率
制动回收功率的大小，直接影响到超级电容的配置数量，因此在复合电源系统中，对制动能量回收的量需要有更为准确的估计。车辆的再生制动能量，由车辆自身物理参数、制动策略、车辆速度决定，并受到能量传递链条中各个因素的影响。
车辆整备质量越大，车速越高，车辆具备的惯性越大，因而需要的制动力也就越大。但并不是全部的制动力都由电机反转提供，主要是出于安全的考虑。使用混合制动系统的纯电动公交车在制动时，再生制动力与摩擦制动力之间的比例决定了再生制动所产生的功率，比例越大，再生制动的功率越多，制动器的摩擦损耗就越少，储能系统回收的能量也就会越多，能量回收效率越高。
制动能量的传递链条：制动系统到电机再到电池。制动系统根据车辆运行情况，分配制动力；电机将制动力转化成电能，反向输送至储能装置，也就是超级电容；超级电容尽可能存储最大比例的电能。过程中制动力分配比例，电机发电效率，超级电容充电效率，都会对最终充入超级电容内的电量产生影响。
3.3 如何考虑超级电容成组排列方式
根据能量与功率约束条件确定了超级电容单体个数以及并数m和串数n值之后，主要从串并关系不同带来的可靠性差异，和不同容量的单体电容的排布去考虑成组问题。
先串后并还是先并后串，也许从入行开始，我们早已经习惯了先并后串，因此这个问题已经不再被当做问题。有研究表面，串并顺序对成组后模块的可靠性会产生直接影响。直接上结论，我们常用的先并后串的结构形式，相对于先串后并形式，具有更高的可靠性，并且串并数量越大，效果越明显。
由于超级电容单体存在不可避免的容值偏差，在对超级电容进行排列组合时，最好先对超级电容的容值偏差进行测定，对于容值偏差太大的单体舍弃不使用。容值偏差在允许范围内的单体，容值最小或是最大的几个超级电容单体不能并联在同一支路，可以根据容值偏差从小到大（或从大到小）的方式排列后进行分组，再按容值升降相间的方式进行超级电容阵列的排列。
4 能量分配策略策略
公交车复合储能系统功率分配策略应该满足：在保证整车动力性的前提下，复合储能系统中蓄电池和超级电容都能发挥自身优势、扬长避短；充分利用超级电容削峰填谷作用，减少大电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池使用寿命，提高充放电效率；最大限度的回收制动能量，提高整车能量使用率。
复合储能系统功率分配策略主要有三类：确定性策略、非确定性策略以及启发性策略。
基于对已知道路工况信息进行分析，得出较为优化的控制策略参数的是确定性控制策略，该策略最典型的是简单逻辑门限控制策略和含有滤波思想的逻辑门限控制策略，这两种方法都是基于获得行驶道路工况的平均功率，汽车在正常行驶过程中由蓄电池提供平均功率，超级电容提供尖峰或超出部分功率。
启发式控制策略，基于反映基本原理的假设或公式，根据这些假设或公式推导出相应的数值。这种控制方法的最大优点是实现简单，只需要知道系统部件的一般信息（如电池和超级电容允许的最大充放电电流等），而不需要预先知道行驶道路工况信息。启发式控制方法最典型的就是釆用基于当前车速的功率分配控制策略，公交车在该种车速下行驶的稳态功率由电池提供，由超级电容提供瞬态功率。
非确定性控制策略，是基于随机方法、模糊逻辑或神经网络等算法，实现公交车在行驶过程中，功率分配的实时优化。虽然非确定性控制策略非常适用于解决难以用数学表达式表达的复杂优化问题，但无法保证采用这种控制策略的公交车能适用每一种行驶工况。另外，这种方法实现非常复杂，该控制策略最典型的就是采用模糊逻辑控制策略，将公交车需要的功率和蓄电池与超级电容的荷电状态模糊化，以此来实现需求功率的合理分配。非确定性控制策略的制定大多以确定性或是启发性控制策略。
制动能量回收策略，当电机处于再生制动状态时，这时超级电容荷电状态SOC≤0.95时，那么电机所产生的功率将全部由超级电容回收。如果超级电容SOC>0.95，则通过制动电阻把多余能量消耗掉。
复合电源系统，控制系统是实现系统性能最大化的关键。
