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文章摘要

本研究旨在填補(bǔ)電池與超級(jí)電容器直接并聯(lián)充電的研究空白。兩者之間的簡(jiǎn)單并聯(lián)將產(chǎn)生不成比例的電流分布，并限制有效的容量利用率。因此，本研究評(píng)估了兩種在大電流應(yīng)用下最大化容量利用率的方法:脈沖充電和微調(diào)電阻分布的恒流充電。結(jié)果表明，微調(diào)電阻法在有效充電容量和充電時(shí)間上均優(yōu)于脈沖充電法。

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背景概述

近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)得到了迅速發(fā)展。鋰離子電池能量密度高、循環(huán)性能優(yōu)異、無(wú)記憶效，已成為電動(dòng)汽車(chē)的首選。然而，由于功率密度和循環(huán)壽命的限制，鋰離子電存在一定的應(yīng)用局限。與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器具有更高的功率密度、更短的充電時(shí)間、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，能夠更好地滿(mǎn)足各種電子設(shè)備的功率需求。適用于快速、頻繁的充放電。然而，超級(jí)電容器能量密度低的缺點(diǎn)也不容忽視。

為了同時(shí)保證高能量和功率密度，基于鋰離子電池和超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用。該混合系統(tǒng)結(jié)合了鋰離子電池和超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)，具有高能量和高功率密度在汽車(chē)上使用混合動(dòng)力系統(tǒng)可以有效地處理車(chē)輛負(fù)載的短期和瞬時(shí)高功率需求。

本文的研究?jī)?nèi)容就是對(duì)鋰離子電池和超級(jí)電容器結(jié)合的混合能量系的充電方法。

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研究現(xiàn)狀

目前對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)充電的研究較少，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要集中在對(duì)電池和超級(jí)電容器進(jìn)行單獨(dú)充電。雖然存在直接并聯(lián)拓?fù)?，但沒(méi)有針對(duì)直接并聯(lián)充電的具體研究。為了填補(bǔ)這一研究空白，本文對(duì)鋰離子電池與超級(jí)電容器直接并聯(lián)充電進(jìn)行了研究。直接并聯(lián)充電不需要強(qiáng)大的電子元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以顯著降低混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體復(fù)雜性和成本，有利于市場(chǎng)推廣。

而內(nèi)阻及其壓流特性會(huì)影響鋰離子電池和超級(jí)電容器的電流分布。電流分布不均勻會(huì)降低直流并聯(lián)系統(tǒng)的容量利用率，特別是在大電流充電時(shí)。本文將通過(guò)平衡充電過(guò)程中的電流分布來(lái)解決這一問(wèn)題。

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研究方法

圖1 混合系統(tǒng)的等效電路模型。（a）鋰離子電池模型。（b）超級(jí)電容器模型

1、提出了混合系統(tǒng)的等效電路模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成模型的參數(shù)識(shí)別。

2、接觸電阻導(dǎo)致電池與超級(jí)電容器端電壓不一致，從而限制了混合系統(tǒng)的有效容量利用率。為了優(yōu)化直接并聯(lián)充電效果，提出兩種抑制接觸內(nèi)阻影響的方法——脈沖電流和微調(diào)電阻。

3、為了使實(shí)驗(yàn)更加完善，使用了由Argonne National Lab提出的電池容量衰減模型。

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研究結(jié)果

圖2 不同初始荷電狀態(tài)下微調(diào)電阻的結(jié)果。（a）和（b）對(duì)應(yīng)SOCB_Init=0.1,SOCSC_Init=0.2，（c）和（d）對(duì)應(yīng)SOCB_Init=0.2,SOCSC_Init=0.1。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混合系統(tǒng)的等效電路模型。然后，通過(guò)仿真和橫流實(shí)驗(yàn)，得到了混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分布。最后，得出了兩種方法對(duì)混合系統(tǒng)充電的改進(jìn)效果。

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討論

圖3 實(shí)驗(yàn)和仿真下端電壓的相對(duì)誤差。

這一部分分析了仿真模型的誤差。并對(duì)脈沖充電法和微調(diào)電阻法進(jìn)行了比較。之后，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，將微調(diào)電阻法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比。最后，說(shuō)明了微調(diào)電阻法的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

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研究結(jié)論

本文研究了鋰離子電池與超級(jí)電容器的直接并聯(lián)充電。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)得到了混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配。提出并比較了兩種優(yōu)化混合動(dòng)力系統(tǒng)充電效果的方法。并闡述了微調(diào)電阻法對(duì)鋰離子電池壽命的影響。本研究可以得出以下結(jié)論:

1、在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，接觸電阻會(huì)導(dǎo)致功率分配受限。而且充電電流越大，這種現(xiàn)象越明顯。

2、脈沖充電可以略微提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的充電容量，但會(huì)顯著延長(zhǎng)充電時(shí)間。微調(diào)電阻法在充電容量和充電時(shí)間上均優(yōu)于脈沖充電法。

3、微調(diào)電阻法可以顯著改善充電效果并延長(zhǎng)電池壽命。在較高的電流下，效果更好。而且這種方法適用于不同的初始SOC。

未來(lái)對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)充電的研究將集中在以下方面：（1）模擬模型的準(zhǔn)確性。（2） 進(jìn)一步提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的充電能力。