鋰電池與超級電容混合儲能系統拓撲結構優化

上官玉金，謝長君，劉芙蓉，李 浩，李維波

(武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070)

環境污染、氣候變化、能源安全和可持續發展等問題日益突出，全球主要國家已將新能源列入國家能源優先發展戰略[1]，發展面向未來的新能源電動汽車已成為各國的共同選擇。儲能系統是新能源汽車的關鍵部件，以鋰離子電池為儲能核心的新能源汽車在行駛過程中，因行駛工況復雜，會頻繁面臨大功率負載的沖擊，導致鋰離子電池容量衰減加快，儲能系統性能下降[2]。

為應對上述問題，建立由鋰離子電池和超級電容構成的混合儲能系統是一種有效的解決方案。文獻[3]利用蓄電池和超級電容性能上的互補性，構建了混合儲能系統，實現了對儲能元件同時具有高能量密度和高功率密度的要求，但缺少對具體元件的分析以及能量管理策略的研究。文獻[4]基于混合儲能系統對雙向DC/DC 變換器部件進行了研究。文獻[5]綜述了超級電容技術研究現狀，著重闡述了其在電動汽車領域中的應用。文獻[6]提出了一種混合儲能系統的靈敏度分析方法，對不同部件參數進行了敏感度分析。上述文獻著眼于混合儲能系統的部件優化，缺少對整體拓撲結構和能量管理策略的分析研究。文獻[7-8]針對混合儲能系統的不同能量管理策略進行對比分析和優化，以實現鋰電池和超級電容功率的最優分配。

本文以某小型電動車為原型，研究并優化了混合儲能系統的拓撲結構。對鋰離子電池和超級電容混合儲能系統的三種拓撲結構進行分析，選擇半主動式構型作為研究對象。為了降低系統成本，在選用非隔離式雙向DC/DC 變換器的基礎上，提出了兩種優化后的半主動式拓撲構型。搭建實驗臺架，以使用成本為衡量指標構建系統性能分析函數，對優化后的兩種拓撲結構進行實驗分析，驗證了優化后拓撲的有效性。

1 混合儲能系統部件分析

1.1 整車參數

本文以某小型電動汽車為原型，其部分整車參數為：迎風面積1.51 m2，風阻系數0.3，滾動阻力系數0.009，整車質量600 kg，傳動效率0.9，60 km/h 等速續航里程160 km。

由式(1)計算得整車在等速60 km/h 工況下的需求功率為2.4 kW，由式(2)計算得電池組能量QBat為6.4 kWh。

式中：v60為車速；ηT為傳動效率；m為整車質量；g為重力系數；f為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為迎風面積。

式中：Lmax為最大續航里程；v為車速；Pre為等速60 km/h 工況下的需求功率。

1.2 鋰離子電池

本實驗采用中航鋰電公司生產的型號為SE100AHA 的磷酸鐵鋰電池，其標稱容量為100 Ah，標稱電壓為3.2 V，標準充放電電流為0.3 CA(即30 A)。由整車參數計算得電池組的能量為6.4 kWh，故使用100 Ah 單體電池，需要的單體數量為20 節。

1.3 超級電容

超級電容具有較高的功率密度，但能量密度極低。由鋰離子電池和超級電容組成的混合儲能系統可以發揮不同類型儲能裝置的優勢，將大大降低鋰離子電池的充放電電流波動，提高鋰離子電池動態循環壽命。本實驗中超級電容模塊采用的是兩個并聯的Maxwell BMOD0165-P048 電容器，其單塊額定電容為165 F，額定電壓為48 V。

1.4 雙向DC/DC 變換器

雙向DC/DC 變換器作為混合儲能系統中的能量控制元件，其選型直接影響整個系統的成本、性能和運行效率。本文選用交錯并聯Buck/Boost 拓撲結構作為雙向DC/DC 變換器的主電路，相較于傳統的Buck/Boost 結構，交錯并聯式拓撲結構具有電流紋波小、適用于大功率場合等優點。

2 混合儲能系統拓撲結構

混合儲能系統的拓撲結構主要有三種：被動式構型、半主動式構型和主動式構型，如圖1 所示。

圖1 混合儲能系統拓撲結構

在三種拓撲結構中，被動式構型鋰離子電池與超級電容直接并聯到功率總線上，具有結構簡單、成本低等優點。但此拓撲結構下，超級電容與鋰離子電池電壓相同，導致超級電容的容量得不到充分利用，儲能系統整體性能較差。因此，需要加入雙向DC/DC 變換器才能發揮兩種儲能源相結合的優勢。相較于被動式構型，主動式構型加入了兩個雙向DC/DC 變換器，可以靈活控制鋰離子電池和超級電容的充放電功率，使儲能裝置的容量被充分利用。但同時此構型成本大幅提高，控制策略復雜，能量傳輸效率有所下降。

半主動式構型介于二者之間，通過一個DC/DC 變換器控制其中一個儲能源，在保證了儲能系統鋰離子電池與超級電容充放電行為相對可控的同時，相較于主動式構型，無論是系統成本還是控制策略復雜度都大幅下降。因此，半主動式構型被廣泛應用于混合儲能系統的研究中。

3 半主動式構型拓撲優化

3.1 超級電容+雙向DC/DC 拓撲優化

典型超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲構型如圖1(b)所示，在雙向DC/DC 變換器的選擇上，有隔離式和非隔離式兩種。為了提高儲能系統的能量密度和效率并降低硬件成本，本文采用了非隔離式雙向DC/DC 變換器。同時，對此拓撲結構進行了相應的改進以克服該結構下的缺點。優化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式結構如圖2 所示。

圖2 優化后的超級電容+雙向DC/DC半主動式結構

優化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲結構添加了一條超級電容預充電回路，當超級電容由于饋電導致端電壓低于雙向DC/DC 變換器可控制的最小電壓時，閉合K1，將超級電容與鋰離子電池的正極連通，把超級電容充電至雙向DC/DC 變換器可控制的電壓范圍內。當超級電容端電壓過低時，其可用能量也很少，預充電回路可保證系統開始工作時，超級電容工作在額定電壓左右。

3.2 鋰離子電池+雙向DC/DC 拓撲優化

典型的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式拓撲構型如圖1(c)所示，超級電容與功率總線直接相連，這種結構下需要一個二極管用于保證當雙向DC/DC 工作異常時連通鋰離子電池和超級電容，穩定總線電壓。優化后的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式結構如圖3 所示。

圖3 優化后的鋰離子電池+雙向DC/DC半主動式結構

基于預充電回路的基礎上，在D5回路加入了一個可控開關管Q5，使鋰離子電池與總線連通的時機變得可控，可解決典型結構中D5回路不可控導致的與雙向DC/DC 工作時序發生沖突的問題，此回路稱為緊急補電回路。

3.3 系統性能分析函數構建

為了進一步分析兩種拓撲結構，本文以使用成本為衡量指標構建系統性能分析函數，來分析比較兩種拓撲結構。在混合儲能系統中，系統使用成本主要包括儲能系統損耗CostSystem以及電能損耗CostPower。由于超級電容在多個循環中的容量損失可忽略不計，因此系統損耗CostSystem僅考慮了鋰離子電池的損耗成本。所得系統性能分析函數如式(3)所示。

式中：ILi(t)為鋰離子電池電流與時間的函數；PLi(t)為鋰離子電池輸出功率與時間的函數；PSC(t)為超級電容輸出功率與時間的函數。

CostSystem是關于鋰離子電池ILi(t)的函數，因此在構建CostSystem函數時，需要先建立鋰離子電池容量衰減模型。文獻[9]針對磷酸鐵鋰電池進行了具體的實驗分析，得到具有較高精度的電池容量衰減模型，如式(4)所示。

式中：Qloss為電池容量衰減量；Crate為電池充放電倍率；R為理想氣體常數，8.314 J/(mol·K)；TLi為電池溫度，K；Ah為電池單次循環安時數。

在建立CostSystem函數時，忽略雙向DC/DC 和超級電容的硬件損耗，僅考慮鋰離子電池的壽命損耗。實驗采用100 Ah磷酸鐵鋰電池，市場單價為400 元，在引用式(4)電池容量衰減模型的基礎上，可得系統損耗函數CostSystem表達式：

電能損耗函數CostPower可表示為鋰電池輸出功率PLi(t)和超級電容輸出功率PSC(t)的函數，取市電單價為0.58 元/kWh，充電效率η為0.9，可得其表達式：

4 優化結果分析

結合各個部件的參數搭建實驗臺架，如圖4 所示，其中電力電子機柜包含鋰電池組、超級電容模組和雙向DC/DC 變換器等設備。

圖4 實驗臺架

車輛的運行工況代表車輛的行駛狀態，本文選用城市道路循環(UDDS)工況，在工控機中嵌入文獻[10]中提出的能量管理策略，對優化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式結構和優化后的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式結構進行實驗測試，結果如圖5 所示。

圖5 兩種拓撲結構中鋰離子電池輸出功率波形

從圖5 波形可得兩種拓撲結構均能使鋰離子電池模塊的輸出功率控制在1 920 W 以內，此時鋰離子電池的充放電電流限制在標準充放電電流0.3 CA(即30 A)以內，有利于降低鋰離子電池衰減損耗，延長其循環壽命。

為進一步分析兩種拓撲結構的性能，利用構造好的系統性能分析函數來分析兩種拓撲結構，結果如表1 所示，可得出超級電容+雙向DC/DC 拓撲結構要優于鋰離子電池+雙向DC/DC 拓撲結構。

表1 系統使用成本數據分析

選取超級電容+雙向DC/DC 拓撲結構為對象，對其優化前后的拓撲結構進行實驗，結果如圖6 和圖7 所示。超級電容承擔超過鋰離子電池輸出功率閾值1 920 W 的尖峰功率，同時吸收制動回饋能量，能夠有效保護鋰離子電池免受大功率負載沖擊，減小其衰減損耗。

圖6 優化前鋰電池和超級電容輸出功率波形

圖7 優化后鋰電池和超級電容輸出功率波形

在一個UDDS 循環工況內，優化前后系統的能耗分別為331.25 和329.17 Wh，鋰離子電池衰減量分別為(1.518×10－4)%和(1.425×10－4)%，對應鋰離子電池損耗成本分別為0.060 7 元和0.057 0 元，優化后系統的能耗和鋰離子電池損耗成本分別下降了0.63%和6.09%。

5 結論

本文對鋰離子電池+超級電容混合儲能系統的拓撲結構進行了對比分析，在此基礎上選擇半主動式拓撲構型作為優化對象，提出了兩種基于交錯并聯Buck/Boost 結構雙向DC/DC 的半主動式拓撲構型。實驗結果顯示優化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲結構和鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式拓撲結構均可使鋰離子電池充放電電流限制在標準充放電電流0.3 CA(即30 A)以內，有利于降低鋰離子電池損耗。選取超級電容+雙向DC/DC 拓撲結構為對象，對優化前后的拓撲結構進行實驗分析，得到系統的能耗和鋰離子電池損耗成本分別下降0.63%和6.09%，驗證了優化后拓撲結構的有效性和優越性。