超级电容-电池能量存储

1/35超级电容-电池混合动力汽车能量存储系统第四章超级电容-电池混合动力能量存储系统现状在本系统中，电池具有高的能量密度和低的功率密度。而超级电容具有高的功率密度和低的能量密度。在前面的研究中，将电池与超级电容并联，如图4.1所示。由于超级电容具有较低的电阻，所以大部分电流从超级电容流过，而只有一少部分电流流过电池，这在某种程度上延长了电池的寿命。图4.1电池与超级电容并联等效电路Vo：输出电压VB：电池电压Io：输出电流Io=50AUC=90FRC+ROV=0.054RESR=0.01VB=VUC=24V如果图4.1的参数确定，我们可以根据电路的方程来预测负载的情况。图4.2为图4.1电路电流为常数时的仿真结果。图4.2超级电容-电池混合放电电流波形仿真从t0到t1超级电容的电流如图4.2(b)所示。当电池电流缓慢上升2/35时，超级电容为电池提供了大部分能量。从t1到t2，电池为超级电容充电，这是由于电容等效电阻RESR和ROV与RC之和不相等。在图4.1中我们可以看到VRUC+VUC=VRB+VB，但是VRUC≠VRB且VUC≠VB。因此，在t1时刻I总=0，由于VUC＞VB，电流从超级电容流向电池。如果我们假设电池电压、输出电压、电阻和电容都是常数，可以得到闭合解。从t0到t1，假设超级电容为电池完全充电，从t1到t2，iUC变为此时，，p=t1-t0为电流脉冲宽度。在图4.2(d)中我们可以注意到在没加脉冲之前超级电容的电压为VUC0，在加脉冲之后它的电压变为VUC1。由于电池为超级电容充电，所以它的电压会立刻增加，它会继续增加直到VUC=VRB。当超级电容充电时，它的电流变化方向与t1时刻的相反。第五章超级电容电池能量存储系统方案的提出在图中超级电容的电压比电池的电压高，我们可以通过增加超级电容的存储能量保护电池，减少电池负极的硫化现象，使电池充电。电路中开关S的作用是：当电池3/35充电时绕过二极管，即开关S闭合，也就是说由于充电电流被二极管锁住，所以超级电容可以吸收所有制动刹车的能量。在超级电容的电压降到与电池电压相等之前，它提供了所有加速脉冲。这两个电路的不同之处在于二极管在电路中的位置不同，但这并不影响电路所起的作用。图5-1(a)的优点是：电池对于负载来说可作为电源使用，因为它的负极接地。图5-1(b)的优点是二极管的散热装置接地，而且如果使用半导体开关，控制开关S非常简单。当超级电容充满电时，此结构在不需要电池能量情况下，可为负载提供短时功率。如果脉冲长度ppc，在pc之后的时间里，由电池为系统提供能量。如果二极管的电压为常数，系统的波形与图4.1的波形相同。作为可选择开关S，在电池充电时可以把它去掉，这种充电方法会在第六章中介绍。图5.1电池-超级电容混合能量存储系统的模型正如前面提到的在tpc时，系统的工作情况与图4.1相同，只不过是在电池电压VB中要减去二极管的电压VD。在tpc时，超级电容的电流方程为4/35在汽车加速时，假设负载功率脉冲为常数，因此输出功率PovotiUCt常数。把(4.5b)式和(由图4.1可得)代入(4.6)式，得将上式左右两端除以iUC(t)，得再为iUC(t)求导，整理得：式(4.7)不是闭合式，所以它的解是循环的。由式(4.5a)我们可以得到如果设dt=△t，k为循环系数，则由式(4.6)得Po=voiUC(t)，将代入得将上式整理得将式(4.8)代入整理得5/35上式的解为由式(4.8)(4.9)我们可以模拟仿真电路的运行。电路5.1(a)的仿真如图5.2所示。在0-9秒钟，系统的输出功率为10KW。电池只有在tpc时才提供能量。超级电容为整个系统提供大部分能量。图5.2是仿真汽车加速的功率。图5.2功率脉冲仿真从图5.2中我们可以看出在汽车加速过程中，超级电容提供了大部分能量。与单独使用电池的系统相比，超级电容加电池的系统并没有节约能量，它们与由电池单独供电的系统提供的能量相同。但是，本系统可以增加电池的寿命。由于超级电容的额定寿命要比汽车的寿命长，例如10年或是更长，所以能量存储系统的寿命是由电池决定的。本系统可以大大改善电池的寿命，这是因为流过电池的电流脉冲的数6/35量和大小都比由电池单独供电的小。我们所关心的另一个重要方面是电池的尺寸。传统的系统需要电池电压高，存储能量大。例如需要3个12V，40AH的电池串联，系统理论电压为36V。而我们所提出的系统可以使用1个36V的超级电容与2个12V，15AH的电池就可以完成这个任务。超级电容的尺寸与重量与12V，40AH的电池相同。本电路的另外一个特点是由于二极管的作用，制动刹车所产生的负的电流脉冲可以为超级电容充电。因此在制动刹车时，不再需要增加电池的数量。第六章系统电池充电方法图5.1中电池充电时，开关S要闭合，即电流绕过二极管D流向电池。这个过程实现的基本方法有两种：第一种方法电路如图6.1所示，开关与二极管D并联。第二种方法提供了与电池并联的一个独立的充电路径。第一种方法开关的结构非常简单，即一个机械的开关或是一个半导体开关。图6.1电池充电的第一种方法开关与二极管并联电路的结构非常简单，但是存在许多缺点。其中，最主要的问题是在充电时，超级电容必须与电池的电压相同。因此，在开关闭合之前，超级电容的电压必须下降到与电池电压相同。为了降低成本，将开关电路设计成只能承受电池的充电电流，而这个7/35电流要比加速和制动刹车电流小得多。使用一个价格较便宜的自动继电器就能够完成这个功能。可是这种方法在充电过程中不能保护电池。并且在汽车制动刹车时不能给电池充电。本系统还有一个充电结构，在图6.1中没有画出来，就是完成超级电容放电功能的继电器。当汽车速度为零时，超级电容不能放电，也不能为电池充电。因此，与电阻串联的第二个继电器需要将电压降到与超级电容的电压相同，这个电路结构与第一个继电器是并联的。图6.2电池充电的第二种方法第二种充电方法如图6.2所示，它是由两种不同连接方法的Buck转换器组成的。这两个电路与图5.1的电路不同，也就是说二极管D1的位置不同，这影响了充电器结构。在图(a)中，充电器通过调节脉冲宽度工作，它的工作频率为10万赫兹。当Q1导通时，电流流过Q1，L和B。当Q1截止时，存储在L中的能量释放给B和Q2。在(b)中，当Q1导通时，电流流过B，L和Q1。当Q1截止时，存储在L中的能量释放给B和Q2。这两种方法的优点是超级电容不必为电池充电而放电。因此，在充电过程中超级电容可以保护电池，并且在制动刹车时电池也能充电。但是这种方法需要足够的空间，而且它的价格要比第一种方法高。这两种充电方法都是可行的，但是系统要采用哪种充电方法取决8/35于许多影响因素，这两种方法各有优缺点。方法1：+硬件结构简单，价格便宜，体积小-控制策略复杂-超级电容为给电池充电必须放电-在充电过程中没有保护电池-在制动刹车时电池不能充电方法2：-硬件系统大且价格昂贵+控制策略相对简单-为了给电池充电，超级电容的电压必须大于电池电压+在充电过程中，电池受到保护+在制动刹车时电池能充电表面上看，方法2的优点多，但是这没有考虑到混合能量控制策略，这个问题会在下一章中介绍。下面几个观点对分析这个问题很有帮助。当内燃机操作在有效区域，可以很好地为电池充电。在方法1中，在超级电容为电池充电之前，超级电容需要放电到vuc=vb。而超级电容的能量是用于给汽车加速的，所以在内燃机工作时，超级电容已经放电。在内燃机进入有效工作区域后，电池充电。因此，这种方法的优点比较多。方法1仍然会有一些缺点，但不是很多。在方法1中，汽车在制动刹车时电池不能被充电。但是在这种模9/35式下，考虑到汽车整个行驶时间，这段时间很短可以忽略不计。在汽车循环行驶中，制动刹车占整个行驶里程的大部分，但是平均的制动刹车只占循环驾驶的一小部分。由于与纯电动汽车相比，混合动力汽车的电池使用频率低，所以电池不需要总被充电。因此，这两种充电方法和充电控制策略可以等电池需要充电时再为它充电。例如：第一种方法可以等超级电容放电之后再为电池充电，除非电池急需要充电。类似的，第二种方法等超级电容的电压略高于电池的电压时为电池充电。第七章系统工作特性研究方法能量存储系统的设计需要足够的实验。许多汽车工厂为了做测试实验使用汽车负载模拟器，例如ABC-150功率数据处理系统。它可以对汽车行驶的路况，如市区或高速公路进行编程来计算系统存储的能量。汽车负载模拟器通过使用脚本文件进行编程，脚本文件通常是由许多负载或能量脉冲组成的。ABC-150功率处理系统本身不能实现复杂的动态车辆建模，但是它能提供BytePipe的数据连接，BytePipe能使汽车负载模拟器操作界面用于其它装置。通过BytePipe在汽车负载模拟器上加入微处理器，可将汽车的动力模型合并。实验测试系统如图7.1所示，它的核心是主控制器，其作用是作为主控制系统。它可以通过电流充电算法来实现控制继电器的充放电功能。主控制器通过使用动态方程仿真车辆，驱动电位计上显示了仿真汽车加速和刹车的结果，并且提供了许多不同的变量来计算汽车负载模拟器所需的电流。10/35图7.1系统的研究方案汽车速度是主控制器中的一个变量，主控制器通过CAN总线将模拟车速、能量存储系统中的超级电容和电池的电压传送给从控制器，并将其显示在显示器上。主控制器也通过BytePipe将能量存储系统所需的电流传递给ABC-150远程操作站。从控制器的主要功能是将主控制器传递的信息在PC显示器上显示出来。在图7.1中我们可以看到通过两个电流传感器从控制器可以得到超级电容和电池的工作电流。从控制器也可以接收由CAN总线上主控制器传递的数据。其中包括车速和能量存储系统所需的电压。车速、能量存储系统的电流和电压也可以通过图中的连接在PC显示器上显示出来。正如前面所讨论的，主控制器将能量存储系统所需的电流传递给远程操作站。远程操作站运行脚本文件，它可以监控BytePipe界面，对ABC-150每次设置的新命令中得到系统所需的电流并对其作出反11/35应。图7.1中的两个可变电阻代表加速和刹车的模型。电位计提供了电压信号，它可以作为驱动器对模拟器输入信号。测试工程师根据这些输入的信号驱动汽车，并且可以显示汽车实时的速度和电流。在图7.1中还有两个开关，它们分别是数据记录和记录重放开关(可能翻译的不是很准确)。这个功能允许使用者记录汽车行驶的路线并且可以将行驶路线重现。这两个开关有3个可操作模式：正常行驶、记录数据和数据重放。7.1汽车仿真在主控制器中使用算法来仿真汽车。仿真以动态汽车方程为基础，还包括描述汽车特征的常数。传统描述汽车的方程如下：式中：AR：正面面积(平方英尺)CD：阻力系数CRO：滚动阻力系数GA：半径的坡度角RHO：空气密度(英镑/立方英尺)RW：滚动半径(单位英寸)WV：风速(英里/小时)W：车重量(英镑)GR：传动比DA：气动阻力(英镑)F：受力(英镑)TQ：电机扭矩(英尺磅)V：汽车速度(英里/小时)12/35式(7.4)为汽车总的受力公式：如果不考虑风速，速度单位为米/秒，重量单位为千克，力的单位为牛顿，不考虑风速，WV=0，将(7.2)，(7.3)式代入到方程(7.4)中可得：整理得：(这两个公式没有推出来)如果则FTotal是由模拟加速和刹车的模型决定的，它的值为负值时代表刹车，正值代表加速。由式(7.7)解得未知速度的变化量为由于方程(7.8)的解不是闭合式，所以我们用迭代法求解。我们采用改进的欧拉公式法二次估计的解作为方程的解，这种方法可以概括如下：第1步：从式(7.8)中解出dv/dt，是V的前一个解，如果是第1次迭代，那么v是初始速度。13/35第2步：解，这里，是两次迭代的时间。第3步：从式(7.8)中解出dv/dt，这里第4步：解其中，是下次迭代的速度解，或是在时的速度。做完第4步后，返回到第1步，开始下次迭代。为了求FTotal，我