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怎樣設(shè)計(jì)一款鋰電池超級(jí)電容復(fù)合動(dòng)力電源?

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2018年12月08日  

如果超級(jí)電容的能量密度不能有大幅度的提高,單獨(dú)在電動(dòng)汽車上使用比較困難。即使是空間相對(duì)寬裕的大巴車,應(yīng)用起來(lái),也比較繁瑣。曾經(jīng)有純超級(jí)電容電動(dòng)大巴在實(shí)際中運(yùn)營(yíng),它的姿勢(shì)是這樣的:只依靠乘客上下車的時(shí)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(diǎn)必須密集,最好不要超過(guò)2-3km間距。一站一充的供電方式,在實(shí)際應(yīng)用中需要解決非常多的困難。相對(duì)而言,將超級(jí)電容與能量密度高的電源結(jié)合使用,各取所長(zhǎng),則顯得更為實(shí)用。以鋰電池與超級(jí)電容配合使用為例。

電動(dòng)汽車復(fù)合電源的優(yōu)點(diǎn)

復(fù)合電源采用超級(jí)電容器和動(dòng)力鋰電池電池儲(chǔ)能裝置相結(jié)合,主要考慮到以下幾點(diǎn):

1)聯(lián)合使用動(dòng)力鋰電池和超級(jí)電容的目的在于,解決單一儲(chǔ)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(fā)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)復(fù)合電源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮超級(jí)電容器高速率快速充放電、高比功率的優(yōu)勢(shì),同時(shí)超級(jí)電容能夠快速吸收瞬時(shí)大功率制動(dòng)能量,提高整車系統(tǒng)的能量利用率;

4)當(dāng)需要相同的功率和能量時(shí),復(fù)合電源系統(tǒng)的費(fèi)用、體積和重量遠(yuǎn)優(yōu)于單一電源。

1復(fù)合電源的一般拓?fù)湫问?br/>
目前,超級(jí)電容和蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)汽車主要采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),蓄電池和超級(jí)電容

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

第一種并聯(lián)方式,結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,所需器件數(shù)目最少,但由于沒(méi)有雙向DC/DC變換器,超級(jí)電容和蓄電池在任何時(shí)候都具有相同的電壓。此時(shí)功率大小的分配主要取決于各電源的內(nèi)阻大小,直流母線側(cè)電壓變化范圍受蓄電池端電壓所限,超級(jí)電容器只能在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時(shí)輸出和吸收波動(dòng)的功率,因而此種方式限制了超級(jí)電容的大功率充放電能力,未能充分發(fā)揮超級(jí)電容與負(fù)載匹配的優(yōu)勢(shì)。

第二種并聯(lián)方式中,蓄電池和負(fù)載直接相連,超級(jí)電容器通過(guò)雙向DC/DC變換器與負(fù)載相連。這種結(jié)構(gòu)形式,蓄電池連接的直流母線電壓在系統(tǒng)充放電過(guò)程中變化相對(duì)較小,且蓄電池基本工作在恒流方式,蓄電池的充放電電流得以優(yōu)化。

第三種并聯(lián)方式下,蓄電池經(jīng)過(guò)雙向DC/DC變換器與負(fù)載連接,可以優(yōu)化蓄電池的輸入輸出特性;超級(jí)電容器則直接與負(fù)載相連,此時(shí)超級(jí)電容可以很快地提供電動(dòng)公交車啟動(dòng)/加速時(shí)的功率輸出和減速剎車時(shí)的制動(dòng)能量回收。但由于超級(jí)電容器端電壓隨充放電過(guò)程指數(shù)形式變化,特別對(duì)于小容量的超級(jí)電容器,很難充分發(fā)揮超級(jí)電容瞬時(shí)大功率充放電的特點(diǎn)。

第四種并聯(lián)方式下,超級(jí)電容器和蓄電池均通過(guò)雙向DC/DC變換器與負(fù)載相連,此時(shí)電壓調(diào)控范圍大,靈活性很高,但由于采用了兩個(gè)DC/DC變換器,整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制的難度增加,降低了系統(tǒng)的效率,系統(tǒng)的成本也相應(yīng)增加。

2雙向DCDC

在復(fù)合電源系統(tǒng)中使用的雙向DC/DC變換器,需要實(shí)現(xiàn)下列功能:

1)穩(wěn)定電壓。通過(guò)DC/DC變換器將直流母線的電壓穩(wěn)定到系統(tǒng)所需的合適電壓;

2)傳遞功率。通過(guò)雙向DC/DC變換器,調(diào)節(jié)各電源的輸出功率,以滿足系統(tǒng)對(duì)能量和功率的需求;

3)高效率。功率變換器要有較高的轉(zhuǎn)換效率,盡可能減小自身的能量損耗;

4)較快的響應(yīng)速度。對(duì)于只有超級(jí)電容回路串聯(lián)DCDC的情形,當(dāng)電池直接連接到直流母線上,直流母線出現(xiàn)瞬時(shí)大功率變化時(shí),若變換器響應(yīng)速度跟不上,則超級(jí)電容器便不能及時(shí)平滑蓄電池輸出的峰值功率。此外,超級(jí)電容器需承擔(dān)瞬時(shí)的大電流充放電來(lái)保護(hù)蓄電池,因而同一支路的DC/DC變換器,需要承擔(dān)大電流和瞬時(shí)電壓的變化;

5)為了提高電動(dòng)汽車的能量利用率,需要將再生制動(dòng)的能量回收到超級(jí)電容器。因此,要求與超級(jí)電容器串聯(lián)的DC/DC變換器必須是電流雙向可逆的。

3復(fù)合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的主要問(wèn)題

3.1如何確定超級(jí)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(dòng)能量回收兩個(gè)過(guò)程考慮兩類電源數(shù)量的匹配。

比如,放電過(guò)程,首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的系統(tǒng)輸出功率譜,體現(xiàn)最為常見(jiàn)的系統(tǒng)工作狀態(tài)和功率波動(dòng)幅值;然后計(jì)算系統(tǒng)功率平均值;最后確定超級(jí)電容和鋰電池組的工作機(jī)制,能量密度高的鋰電池,理想情況是負(fù)責(zé)提供功率平均值以及平均值以下的電能;當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)尖峰時(shí),超級(jí)電容用來(lái)填補(bǔ)峰值部分,盡量發(fā)揮其功率性能的優(yōu)勢(shì)。

相應(yīng)的,再生制動(dòng)過(guò)程,一般要求超級(jí)電容完全承擔(dān)其能量回收的責(zé)任。在單純使用蓄電池的系統(tǒng)中,蓄電池組需要同時(shí)滿足下面幾個(gè)主要參數(shù):額定電壓,工作電壓范圍,額定功率,峰值功率,最大回收電流以及總能量(總續(xù)航里程)。而在有超級(jí)電容參與的電源系統(tǒng)中,電池主要滿足電壓和總能量的要求。

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

3.2如何考慮制動(dòng)能量回收功率

制動(dòng)回收功率的大小,直接影響到超級(jí)電容的配置數(shù)量,因此在復(fù)合電源系統(tǒng)中,對(duì)制動(dòng)能量回收的量需要有更為準(zhǔn)確的估計(jì)。車輛的再生制動(dòng)能量,由車輛自身物理參數(shù)、制動(dòng)策略、車輛速度決定,并受到能量傳遞鏈條中各個(gè)因素的影響。

車輛整備質(zhì)量越大,車速越高,車輛具備的慣性越大,因而需要的制動(dòng)力也就越大。但并不是全部的制動(dòng)力都由電機(jī)反轉(zhuǎn)提供,主要是出于安全的考慮。使用混合制動(dòng)系統(tǒng)的純電動(dòng)公交車在制動(dòng)時(shí),再生制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力之間的比例決定了再生制動(dòng)所產(chǎn)生的功率,比例越大,再生制動(dòng)的功率越多,制動(dòng)器的摩擦損耗就越少,儲(chǔ)能系統(tǒng)回收的能量也就會(huì)越多,能量回收效率越高。

制動(dòng)能量的傳遞鏈條:制動(dòng)系統(tǒng)到電機(jī)再到電池。制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)車輛運(yùn)行情況,分配制動(dòng)力;電機(jī)將制動(dòng)力轉(zhuǎn)化成電能,反向輸送至儲(chǔ)能裝置,也就是超級(jí)電容;超級(jí)電容盡可能存儲(chǔ)最大比例的電能。過(guò)程中制動(dòng)力分配比例,電機(jī)發(fā)電效率,超級(jí)電容充電效率,都會(huì)對(duì)最終充入超級(jí)電容內(nèi)的電量產(chǎn)生影響。

3.3如何考慮超級(jí)電容成組排列方式

根據(jù)能量與功率約束條件確定了超級(jí)電容單體個(gè)數(shù)以及并數(shù)m和串?dāng)?shù)n值之后,主要從串并關(guān)系不同帶來(lái)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(wèn)題。

先串后并還是先并后串,也許從入行開(kāi)始,我們?cè)缫呀?jīng)習(xí)慣了先并后串,因此這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不再被當(dāng)做問(wèn)題。有研究表面,串并順序?qū)Τ山M后模塊的可靠性會(huì)產(chǎn)生直接影響。直接上結(jié)論,我們常用的先并后串的結(jié)構(gòu)形式,相對(duì)于先串后并形式,具有更高的可靠性,并且串并數(shù)量越大,效果越明顯。

由于超級(jí)電容單體存在不可避免的容值偏差,在對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行排列組合時(shí),最好先對(duì)超級(jí)電容的容值偏差進(jìn)行測(cè)定,對(duì)于容值偏差太大的單體舍棄不使用。容值偏差在允許范圍內(nèi)的單體,容值最小或是最大的幾個(gè)超級(jí)電容單體不能并聯(lián)在同一支路,可以根據(jù)容值偏差從小到大(或從大到小)的方式排列后進(jìn)行分組,再按容值升降相間的方式進(jìn)行超級(jí)電容陣列的排列。

4能量分配策略策略

公交車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略應(yīng)該滿足:在保證整車動(dòng)力性的前提下,復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容都能發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)、揚(yáng)長(zhǎng)避短;充分利用超級(jí)電容削峰填谷作用,減少大電流對(duì)蓄電池的沖擊,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命,提高充放電效率;最大限度的回收制動(dòng)能量,提高整車能量使用率。

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)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(fā)性策略。

基于對(duì)已知道路工況信息進(jìn)行分析,得出較為優(yōu)化的控制策略參數(shù)的是確定性控制策略,該策略最典型的是簡(jiǎn)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,這兩種方法都是基于獲得行駛道路工況的平均功率,汽車在正常行駛過(guò)程中由蓄電池提供平均功率,超級(jí)電容提供尖峰或超出部分功率。

啟發(fā)式控制策略,基于反映基本原理的假設(shè)或公式,根據(jù)這些假設(shè)或公式推導(dǎo)出相應(yīng)的數(shù)值。這種控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,只需要知道系統(tǒng)部件的一般信息(如電池和超級(jí)電容允許的最大充放電電流等),而不需要預(yù)先知道行駛道路工況信息。啟發(fā)式控制方法最典型的就是釆用基于當(dāng)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(wěn)態(tài)功率由電池提供,由超級(jí)電容提供瞬態(tài)功率。

非確定性控制策略,是基于隨機(jī)方法、模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法,實(shí)現(xiàn)公交車在行駛過(guò)程中,功率分配的實(shí)時(shí)優(yōu)化。雖然非確定性控制策略非常適用于解決難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題,但無(wú)法保證采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(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜,該控制策略最典型的就是采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(jí)電容的荷電狀態(tài)模糊化,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)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(fā)性控制策略。

制動(dòng)能量回收策略,當(dāng)電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí),這時(shí)超級(jí)電容荷電狀態(tài)SOC≤0.95時(shí),那么電機(jī)所產(chǎn)生的功率將全部由超級(jí)電容回收。如果超級(jí)電容SOC>0.95,則通過(guò)制動(dòng)電阻把多余能量消耗掉。

復(fù)合電源系統(tǒng),控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最大化的關(guān)鍵。

本文主要整理自下列文獻(xiàn):

1張樂(lè),采用權(quán)值分配優(yōu)化的超級(jí)電容等效電路模型參數(shù)辨識(shí);

2胡美聘,電動(dòng)汽車復(fù)合電源能量分配策略研究;

3鄧姣艷,電動(dòng)公交再生制動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)研究;

4鄧明,超級(jí)電容器輔助的電動(dòng)公交車能量?jī)?yōu)化管理研究;

5彭慶艷,超級(jí)電容車與純電動(dòng)公交車適用條件分析;

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