鋰電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上官玉金，謝長君，劉芙蓉，李 浩，李維波

(武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

環(huán)境污染、氣候變化、能源安全和可持續(xù)發(fā)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(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略[1]，發(fā)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(tǒng)是新能源汽車的關(guān)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(fù)雜，會頻繁面臨大功率負載的沖擊，導(dǎo)致鋰離子電池容量衰減加快，儲能系統(tǒng)性能下降[2]。

為應(yīng)對上述問題，建立由鋰離子電池和超級電容構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)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(gòu)建了混合儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)研究現(xiàn)狀，著重闡述了其在電動汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。文獻[6]提出了一種混合儲能系統(tǒng)的靈敏度分析方法，對不同部件參數(shù)進行了敏感度分析。上述文獻著眼于混合儲能系統(tǒng)的部件優(yōu)化，缺少對整體拓撲結(jié)構(gòu)和能量管理策略的分析研究。文獻[7-8]針對混合儲能系統(tǒng)的不同能量管理策略進行對比分析和優(yōu)化，以實現(xiàn)鋰電池和超級電容功率的最優(yōu)分配。

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

1 混合儲能系統(tǒng)部件分析

1.1 整車參數(shù)

本文以某小型電動汽車為原型，其部分整車參數(shù)為：迎風(fēng)面積1.51 m2，風(fēng)阻系數(shù)0.3，滾動阻力系數(shù)0.009，整車質(zhì)量600 kg，傳動效率0.9，60 km/h 等速續(xù)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(zhì)量；g為重力系數(shù)；f為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

式中：Lmax為最大續(xù)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(chǎn)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(shù)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(shù)量為20 節(jié)。

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(tǒng)可以發(fā)揮不同類型儲能裝置的優(yōu)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(tài)循環(huán)壽命。本實驗中超級電容模塊采用的是兩個并聯(lián)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(tǒng)中的能量控制元件，其選型直接影響整個系統(tǒng)的成本、性能和運行效率。本文選用交錯并聯(lián)Buck/Boost 拓撲結(jié)構(gòu)作為雙向DC/DC 變換器的主電路，相較于傳統(tǒng)的Buck/Boost 結(jié)構(gòu)，交錯并聯(lián)式拓撲結(jié)構(gòu)具有電流紋波小、適用于大功率場合等優(yōu)點。

2 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

混合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種：被動式構(gòu)型、半主動式構(gòu)型和主動式構(gòu)型，如圖1 所示。

圖1 混合儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

在三種拓撲結(jié)構(gòu)中，被動式構(gòu)型鋰離子電池與超級電容直接并聯(lián)到功率總線上，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。但此拓撲結(jié)構(gòu)下，超級電容與鋰離子電池電壓相同，導(dǎo)致超級電容的容量得不到充分利用，儲能系統(tǒng)整體性能較差。因此，需要加入雙向DC/DC 變換器才能發(fā)揮兩種儲能源相結(jié)合的優(yōu)勢。相較于被動式構(gòu)型，主動式構(gòu)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(gòu)型成本大幅提高，控制策略復(fù)雜，能量傳輸效率有所下降。

半主動式構(gòu)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(tǒng)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(gòu)型，無論是系統(tǒng)成本還是控制策略復(fù)雜度都大幅下降。因此，半主動式構(gòu)型被廣泛應(yīng)用于混合儲能系統(tǒng)的研究中。

3 半主動式構(gòu)型拓撲優(yōu)化

3.1 超級電容+雙向DC/DC 拓撲優(yōu)化

典型超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的改進以克服該結(jié)構(gòu)下的缺點。優(yōu)化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后的超級電容+雙向DC/DC半主動式結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲結(jié)構(gòu)添加了一條超級電容預(yù)充電回路，當超級電容由于饋電導(dǎo)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(nèi)。當超級電容端電壓過低時，其可用能量也很少，預(yù)充電回路可保證系統(tǒng)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(yōu)化

典型的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式拓撲構(gòu)型如圖1(c)所示，超級電容與功率總線直接相連，這種結(jié)構(gòu)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(wěn)定總線電壓。優(yōu)化后的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后的鋰離子電池+雙向DC/DC半主動式結(jié)構(gòu)

基于預(yù)充電回路的基礎(chǔ)上，在D5回路加入了一個可控開關(guān)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(jié)構(gòu)中D5回路不可控導(dǎo)致的與雙向DC/DC 工作時序發(fā)生沖突的問題，此回路稱為緊急補電回路。

3.3 系統(tǒng)性能分析函數(shù)構(gòu)建

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

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

CostSystem是關(guān)于鋰離子電池ILi(t)的函數(shù)，因此在構(gòu)建CostSystem函數(shù)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(shù)，8.314 J/(mol·K)；TLi為電池溫度，K；Ah為電池單次循環(huán)安時數(shù)。

在建立CostSystem函數(shù)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(chǔ)上，可得系統(tǒng)損耗函數(shù)CostSystem表達式：

電能損耗函數(shù)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(shù)，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(yōu)化結(jié)果分析

結(jié)合各個部件的參數(shù)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(shè)備。

圖4 實驗臺架

車輛的運行工況代表車輛的行駛狀態(tài)，本文選用城市道路循環(huán)(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(yōu)化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式結(jié)構(gòu)進行實驗測試，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 兩種拓撲結(jié)構(gòu)中鋰離子電池輸出功率波形

從圖5 波形可得兩種拓撲結(jié)構(gòu)均能使鋰離子電池模塊的輸出功率控制在1 920 W 以內(nèi)，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(nèi)，有利于降低鋰離子電池衰減損耗，延長其循環(huán)壽命。

為進一步分析兩種拓撲結(jié)構(gòu)的性能，利用構(gòu)造好的系統(tǒng)性能分析函數(shù)來分析兩種拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)果如表1 所示，可得出超級電容+雙向DC/DC 拓撲結(jié)構(gòu)要優(yōu)于鋰離子電池+雙向DC/DC 拓撲結(jié)構(gòu)。

表1 系統(tǒng)使用成本數(shù)據(jù)分析

選取超級電容+雙向DC/DC 拓撲結(jié)構(gòu)為對象，對其優(yōu)化前后的拓撲結(jié)構(gòu)進行實驗，結(jié)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(yōu)化前鋰電池和超級電容輸出功率波形

圖7 優(yōu)化后鋰電池和超級電容輸出功率波形

在一個UDDS 循環(huán)工況內(nèi)，優(yōu)化前后系統(tǒng)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(yīng)鋰離子電池損耗成本分別為0.060 7 元和0.057 0 元，優(yōu)化后系統(tǒng)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(jié)論

本文對鋰離子電池+超級電容混合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行了對比分析，在此基礎(chǔ)上選擇半主動式拓撲構(gòu)型作為優(yōu)化對象，提出了兩種基于交錯并聯(lián)Buck/Boost 結(jié)構(gòu)雙向DC/DC 的半主動式拓撲構(gòu)型。實驗結(jié)果顯示優(yōu)化后的超級電容+雙向DC/DC 半主動式拓撲結(jié)構(gòu)和鋰離子電池+雙向DC/DC 半主動式拓撲結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(jié)構(gòu)為對象，對優(yōu)化前后的拓撲結(jié)構(gòu)進行實驗分析，得到系統(tǒng)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(yōu)化后拓撲結(jié)構(gòu)的有效性和優(yōu)越性。