基于電阻平衡的大功率鋰離子電池與超級電容器的直接混合充電優化

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文章摘要

本研究旨在填補電池與超級電容器直接并聯充電的研究空白。兩者之間的簡單并聯將產生不成比例的電流分布，并限制有效的容量利用率。因此，本研究評估了兩種在大電流應用下最大化容量利用率的方法:脈沖充電和微調電阻分布的恒流充電。結果表明，微調電阻法在有效充電容量和充電時間上均優于脈沖充電法。

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背景概述

近年來電動汽車得到了迅速發展。鋰離子電池能量密度高、循環性能優異、無記憶效，已成為電動汽車的首選。然而，由于功率密度和循環壽命的限制，鋰離子電存在一定的應用局限。與鋰離子電池相比，超級電容器具有更高的功率密度、更短的充電時間、更長的循環壽命，能夠更好地滿足各種電子設備的功率需求。適用于快速、頻繁的充放電。然而，超級電容器能量密度低的缺點也不容忽視。

為了同時保證高能量和功率密度，基于鋰離子電池和超級電容器的混合儲能系統已被開發并應用。該混合系統結合了鋰離子電池和超級電容器的優點，具有高能量和高功率密度在汽車上使用混合動力系統可以有效地處理車輛負載的短期和瞬時高功率需求。

本文的研究內容就是對鋰離子電池和超級電容器結合的混合能量系的充電方法。

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研究現狀

目前對混合動力系統充電的研究較少，現有的相關研究主要集中在對電池和超級電容器進行單獨充電。雖然存在直接并聯拓撲，但沒有針對直接并聯充電的具體研究。為了填補這一研究空白，本文對鋰離子電池與超級電容器直接并聯充電進行了研究。直接并聯充電不需要強大的電子元件。它結構簡單，可以顯著降低混合動力系統的整體復雜性和成本，有利于市場推廣。

而內阻及其壓流特性會影響鋰離子電池和超級電容器的電流分布。電流分布不均勻會降低直流并聯系統的容量利用率，特別是在大電流充電時。本文將通過平衡充電過程中的電流分布來解決這一問題。

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研究方法

圖1 混合系統的等效電路模型。（a）鋰離子電池模型。（b）超級電容器模型

1、提出了混合系統的等效電路模型，并通過實驗完成模型的參數識別。

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

3、為了使實驗更加完善，使用了由Argonne National Lab提出的電池容量衰減模型。

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研究結果

圖2 不同初始荷電狀態下微調電阻的結果。（a）和（b）對應SOCB_Init=0.1,SOCSC_Init=0.2，（c）和（d）對應SOCB_Init=0.2,SOCSC_Init=0.1。

通過實驗驗證了混合系統的等效電路模型。然后，通過仿真和橫流實驗，得到了混合動力系統的功率分布。最后，得出了兩種方法對混合系統充電的改進效果。

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討論

圖3 實驗和仿真下端電壓的相對誤差。

這一部分分析了仿真模型的誤差。并對脈沖充電法和微調電阻法進行了比較。之后，在同樣的實驗條件下，將微調電阻法與傳統方法進行對比。最后，說明了微調電阻法的優點和局限性。

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研究結論

本文研究了鋰離子電池與超級電容器的直接并聯充電。通過仿真和實驗得到了混合動力系統的功率分配。提出并比較了兩種優化混合動力系統充電效果的方法。并闡述了微調電阻法對鋰離子電池壽命的影響。本研究可以得出以下結論:

1、在混合動力系統中，接觸電阻會導致功率分配受限。而且充電電流越大，這種現象越明顯。

2、脈沖充電可以略微提高混合動力系統的充電容量，但會顯著延長充電時間。微調電阻法在充電容量和充電時間上均優于脈沖充電法。

3、微調電阻法可以顯著改善充電效果并延長電池壽命。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。

未來對混合動力系統充電的研究將集中在以下方面：（1）模擬模型的準確性。（2） 進一步提高混合動力系統的充電能力。