一种适用于纯电动、混合动力、插电式混合动力汽车的新型电池/超级电容器混合储能系统外文翻译资料

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一种适用于纯电动、混合动力、插电式混合动力汽车的新型电池/超级电容器混合储能系统

摘要

本文为了纯电动、混合动力和插电式混合动力汽车在内的电动汽车提出了一种新型的电池/超级电容器混合储能系统（HESS）。传统的混合储能系统设计使用一个较大的直流-直流转换器来联系超级电容器和电池的直流环节以满足实时的峰值功率需求，与之相比，本设计使用了一个更小的直流-直流转换器作为一个控制能量的泵，它能够在大多数的城市驾驶环境下维持超级电容器的电压比电池的电压高。电池只能在超级电容电压低于电池电压时直接提供能量。因此创造了一个对电池而言相对恒定的负载侧。除此之外，电池不用于直接回收再生制动所产生的电能；因此，电池脱离了频繁的充电，这将增加电池的使用寿命。本文仿真和实验的结果验证了所提出的系统。

关键词：电池；控制；直流-直流转换器；电动汽车；能量储存；混合动力汽车；插电式混合动力汽车；电力电子技术；推进系统；超级电容器。

1. 引言

能量储存系统（ESS）对于纯电动、混合动力、插电式混合动力汽车（EVs、HEVs、PHEVs）是至关重要的。对于所有的能量储存手段而言，电池被使用得最为广泛。然而，一个基于电池的能量储存系统在寻求额外的手段来提供更多的动力时面临着一些挑战。在基于电池的能量储存系统中，电池需要足够高的功率密度来满足峰值功率的需求。虽然现在已有高功率密度的电池，但它们的价格比那些低功率密度的电池高得多。通常的解决方案是增加电池的数量，然而，这样也会造成成本的增加。另外，电池的热管理问题也是一个挑战，不止需要在高功率负荷的工况下为了安全的工作对其进行冷却，同时在低温下为了达到需要的功率也要对其进行升温。除此之外，电池系统中电池的平衡问题关系到电池的寿命。如果没有平衡系统，单体电池的电压会随着时间的推移而发生漂移。在操作过程中，整个电池组的容量会迅速下降，这可能会导致总电池系统的故障。当电池被用于高比率的充放电时，这种情况是十分严重的。除了这些问题，对瞬时功率的输入和输出需求会使电池遭受频繁的充放电操作，这会对电池的寿命造成不好的影响。对于这样的系统而言，一个额外的能量储存系统或缓冲器是十分必要的，它们在面对浪涌的电流时有着很好的鲁棒性。

为了解决前面列出的问题，混合储能系统（HESS）被提了出来。混合储能系统的基本思想是将超级电容器和电池结合在一起以实现更好的整体性能。这是因为和电池相比，超级电容器有着更高的功率密度和更低的能量密度。这种组合能够提供比它们单独使用时更好的性能表现。一些关于混合储能系统设计的配置被提了出来，其中包括了从简单到复杂的电路。基于在这些配置里电力电子转换器的运用，混合储能系统可被分为两类：被动的或主动的。常规的主动方式使用一个或多个全尺寸的直流-直流转换器来连接能量储存装置和直流环节。这种情况下，全尺寸是指直流-直流转换器形成器件中能量流的唯一路径。

在最广泛使用的常规混合储能系统设计中，电池组直接和直流链路连接，而半桥转换器被放置在超级电容器组和直流链路之间。然而，为了利用超级电容器的功率密度优势，半桥转换器必须匹配超级电容器的功率大小。在大多数情况下，半桥转换器是构成成本的重要部分。虽然该设计解决了峰值功率需求的问题，但电池仍然经受频繁的充电和放电操作。为了解决上述的所有问题，本文提出了一种新型的混合储能系统。

提出的混合储能系统将在本文中被进行详细的介绍和验证。本文的组织如下。第二部分是几种混合储能系统的总体介绍。第三部分介绍了不同混合储能系统配置的设计考虑。第四部分讨论了所提出的混合储能系统的拓扑和操作模式。第五部分重点介绍了案例研究和动力系统分析工具（PSAT）仿真结果。第六部分进行了比较分析。第七部分给出了实验验证，第八部分得到相应的结论。

1. 几种混合储能系统

表I

电池的典型特性

表II

超级电容器的典型特性

电池和超级电容器都属于电化学装置的范畴。然而，这两种装置的工作原理是不同的，这使得它们有着不同程度的特性表现[3]，[4]。表I列出了不同电池类型的一些关键特性，而表II显示了不同的超级电容器的一些关键特性。如表所示，电池具有30-200瓦时/千克相对高的能量密度，其随化学和功率密度而变化。另一方面，超级电容器具有低得多的能量密度和更高的功率密度。同时，超级电容器的寿命超过一百万个循环周期，这远远高于电池的寿命。此外，与电池相比，超级电容器具有优越的低温性能。这些特性可以以一种最佳的方式组合在一起，以便实现总体性能的提升。

混合储能系统的拓扑在过去几年中被进行了研究。本文给出了最广泛使用的混合储能系统拓扑的综述。

图1

典型的被动并联混合结构

图2

超级电容器/电池结构

图3

电池/超级电容器结构

图4

级联结构

图5

多转换器结构

图6

多输入转换器结构

A．典型的被动并联结构

因为两个能量源在没有任何电力电子转换器/逆变器的情况下被混合，所以[4]和[10]中所讨论的被动并联方法是将电池和超级电容器组合在一起的最简单的方法。图1展示了被动并联方法的基本拓扑。在该方法中，由于两个能量源总是并联的，因此V_电池=V_{超级电容器}=V_直流。超级电容器基本上充当低通滤波器。

该方法的优点包括易于实现、不需要控制或昂贵的功率电子转换器。 这种拓扑的主要问题是它不能有效地利用超级电容器存储的能量。 这将在第三部分进一步讨论。

B．超级电容器/电池结构

超级电容器/电池结构[12]是被研究最多的混合储能系统构型。图2展示出了混合储能系统配置的图。通过使用双向直流-直流转换器来连接超级电容器，超级电容器的电压可以在较宽范围内使用。然而，双向转换器需要更大的尺寸以便处理超级电容器的功率。此外，超级电容器组的标称电压可以更低。电池直接连接到直流链路; 因此，直流环节电压不能被改变

C．电池/超级电容器结构

通过在超级电容器/电池结构中交换电池和超级电容器的位置，我们得到电池/超级电容器结构[10]，[13]，如图3所示。在这种结构中，电池的电压可以保持低于或高于超级电容器的电压。超级电容器作为低通滤波器直接连接到直流链路。应用于该拓扑的控制策略允许直流链路电压在一定范围内变化，使得超级电容器的能量能够更有效地被使用。

D．级联结构

为了使电池/超级电容器结构的超级电容器具有更好的工作范围，在超级电容器组和直流链路之间增加了另一个双向直流-直流转换器。 这形成了级联转换器拓扑，如图4所示。

E．多转换器结构

为了代替两个转换器的级联连接，多个转换器结构的方法[15]将两个转换器的输出并联。图5展示出了多转换器拓扑的图。两个转换器的输出与直流链路电压相同。电池和超级电容器两者的电压可以保持低于直流链路电压，这会导致更少的平衡问题。超级电容器的电压可以在较宽范围内变化，因此电容器能够被完全使用。该方法的缺点是需要两个全尺寸转换器。

F．多输入转换器结构

正如我们在第二节-E中讨论到的，多个转换器结构的成本是昂贵的，因为它需要两个全尺寸双向转换器来连接电池和超级电容器。为了降低整个系统的成本，多输入转换器拓扑[15]，[16]被提了出来。多输入转换器方式的系统框图如图6所示。

1. 设计混合储能系统的注意事项

虽然研究人员已经解决了许多设计上应该考虑的问题，但大多数的讨论集中在所使用的特定拓扑，从系统角度看没有太多的细节。本部分讨论了在开发电池/超级电容器混合储能系统拓扑时基本的设计考虑。

A．两个能量源的电压策略

在设计电池/ 超级电容器混合储能系统时，电压策略的选择与电池的特性和使用的超级电容器组密切相关[4]，[8]。能量存储装置更高的电压容量对电池的均衡电路提出了更高的需求。这是因为电池的不一致性随着串联电池的数量呈指数增长[6]。减少均衡需求的一种方法是使用具有较低性能变化（容量，内阻和自放电）的单体电池。通过循环使用大批量的单体电池并且找到可以组合在一起的类似单元，基本上达到匹配的性能。更好的匹配性能通常需要从更多的电池来进行选择。这将导致总电池组成本的增加。因此，由于电池和超级电容器单体不同的特性，需要对存储元件之间进行电压均衡。必须注意的是，在大多数情况下，超级电容器组更容易实现均衡，并降低额外成本。

混合储能系统的拓扑结构显着取决于所选择的电压策略[4]，[8]。在下文的讨论中，V_{超级电容器}，V_电池和V_直流分别指的是超级电容器组的电压，电池组的电压和直流链路的电压。如果（V_{超级电容器}lt;V_电池=V_直流），则表示电池组直接连接到直流链路，而超级电容器通过双向直流-直流转换器连接到直流链路。在这种情况下，直流-直流转换器的额定功率需要与超级电容器的额定功率进行匹配，以便充分利用超级电容器更高的功率能力。该电压策略的优点是有能力在超级电容器组需要较低电压时来使用超级电容器组的整个功率范围。如果（V_电池lt;V_{超级电容器}=V_直流），参考前述方法，在电池和超级电容器之间的位置放置开关。超级电容器组现在直接连接到直流链路，而电池通过直流-直流转换器连接到直流链路。利用该拓扑结构，电池的电压可以维持在较低的水平，使得需要解决较少的均衡问题。如果（V_电池=V_{超级电容器}=V_直流），则表明电池和超级电容器直接并联并连接到直流链路中。这种拓扑结构的最显着的优点是不需要直流-直流转换器，然而，超级电容器的工作范围非常小。如果（V_电池ne;V_{超级电容器}ne;V_直流）（不一定不等），则电池和超级电容器都通过电力电子转换器或其他机构连接到直流链路。

B．超级电容器存储能量的有效利用

虽然电池中的能量输送不是电压的函数，但超级电容器中的能量存储服从标准电容器中的存储规律，如下：

超级电容器的电压需要被放电到初始电压的一半来传递存储的75％的能量。有效地使用超级电容器能量存储的能力是评估混合储能系统结构的主要标准。如果超级电容器通过直流-直流转换器（V_{超级电容器}lt;V_电池=V_直流）连接到直流总线，则理论上可以传送100％的能量 。然而为了防止不平衡电池的反向充电，需要留有安全余量。当允许66％的电压变化时，可以输送90％的超级电容器能量。如果电池和超级电容器被动并联，则超级电容器的电压不会改变很多。即使在积极的放电过程中（在电池功率极限内），电池组的电压也只能下降20％。假设超级电容器被设计为标称电压V_最大 = V_标称，则可以由超级电容器递送的总能量是：

实际的可用能量要小于36％，因为在充电或再生制动期间因为超级电容器要承受电池组的较高电压，所以要留有余量。

C．防止电池电流过大的保护

电池/超级电容器组成

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