基于超级电容的新能源汽车复合储能控制措施

基于超级电容的新能源汽车复合储能控制措施

赵健光

广东创容电子科技有限公司   529100

摘要：当代新能源汽车高速发展，在其中应用以超级电容为基础的复合储能方案，可以延长蓄电池的使用寿命，整体上应用价值较高，所以本文主要针对基于超级电容的新能源汽车复合储能控制措施进行探究，以供参考。

关键词：超级电容；新能源汽车；复合储能；控制措施

    超级电容属于当代新型的储能元件，相比多种传统形式的电容器，其静电容量更大，充放电电路更加简单、充放电次数更多，功率密度更大，并且使用寿命相对更长，同时还能呈现出温度特性良好以及可靠性较高的特点，所以在储能系统之中，超级电容具有良好的应用前景[1]。新能源汽车同样属于当代受到重点关注的新事物，在其中应用超级电容，可以对其中的功率密度和能量密度进行优化，从而起到平衡续航能力及动力之间矛盾的作用，也就有利于实现新能源汽车中锂电池和超级电容的复合储能模式，并推动新能源汽车实现进一步发展。

一、超级电容的储能原理

（一）双电层电容原理

    在固液两相进行接触时，因为二者的化学电势存在差异，所以电荷或是离子能够在二者之间快速移动，并构成数个双电荷层，正负电荷在固相表面两侧分布，与传统形式的平板电容器相类似，静电容量越大，极板距离越小，同时极板面积越大，反之亦然。并且，因为双电层厚度在离子或是水合离子半径的级别上，所以相对于传统电容器介质来说，其厚度更小，也就需要静电容量上升多个数量级，才能在外电压的作用下有效提升界面吸附电荷能力。正是因为以上原理，双电层电容器的原材料为高比表面积电极材料。

（二）过渡金属氧化物电容原理

    固液两相之间的双电荷层即属于电容器，同时再配备一个电极，才可将其投入到实际使用当中。在超级电容充电时，正电极可以对电解液负离子进行吸附，负电极可对电解液中正离子进行吸附，而在超级电容放电时，正离子能够从负电极表面脱附，负离子也能从正电极表面脱附，从而完成超级电容对电荷的存储和释放。部分金属氧化物在进行氧化还原反应时，即能够产生离子与电子之间进行传递的固相反应，并且电流交换密度较大，反应速度也相对较快，这一过程即属于电化学反应，容量等于单电极双电层电容器的正常容量，并且其能量密度大幅度超过双电层水平，但是使用寿命相对较短，同时成本也相对较高[2]。

二、超级电容在新能源汽车中的应用

（一）应用原理

    汽车在行驶过程中，爬坡、制动以及起步均能导致其中的功率需求曲线发生显著变化，在通常情况下，性能较高的新能源汽车，其峰值功率和平均功率的比例在16:1左右，但是峰值功率持续时间相对较短，其中所需的能量通常不多。以此为基础，纯电动、串联混合动力或是燃料电池的新能源汽车中，可能存在汽车动力不足的情况，也可能出现电压总线需要承受较大尖峰电流的情况，也就极易导致电池受到损害，并使其使用寿命受到影响。而超级电容的功率较大，在汽车对于瞬时功率提出较大需求时，超级电容可为其提供尖峰功率，在进行制动回馈时，对尖峰功率进行吸收，也就可以减轻电池压力，优化电池性能，并延长电池的使用寿命。

（二）优势

    基于超级电容的新能源汽车复合储能系统，主要具有以下几个方面的优势：（1）新能源汽车的电池设计可以主要针对对比能量进行考虑，而不必考虑比功率相关问题，也就是落实了新能源汽车在能量和功率方面的分离；（2）超级电容可以起到负载均衡作用，电池放电电流减少，可以提升电池的可利用能量，并延长电池的使用寿命，从而起到节约电池使用成本的作用；（3）促使复合能源方面优势充分发挥，在新能源汽车复合储能系统之中，蓄电池具有成本低廉、技术成熟、能量密度较高的优势，发动机具有比能量极高的优势，可以大幅度延长汽车行驶总里程，并保证汽车运行效率始终较高，超级电容的瞬间充电放电能力较强，比功率较大，使用寿命较长，并且可以快速吸收汽车制动过程中产生的再生动能，并延长汽车续驶总里程[3]。

三、基于超级电容的新能源汽车复合储能控制措施

（一）控制系统结构

    因为新能源汽车的驱动器运行过程较为复杂，需要频繁进行加速和减速，所以具有能量回馈功能的逆变器力矩电流方向需要在正负之间持续切换，但是蓄电池的放电速度相对较慢，所以极易导致直流母线电压发生波动。为了对母线电压瞬时功率进行响应，需要在母线上并联一组超级电容模块，使用超级电容模块对母线瞬时功率进行吸收，并在电机运行时，对超级电容中存储的能量进行逐渐释放。由此，在母线上同时并连着蓄电池和超级电容模块，而且三相电机负载经逆变器也连接于母线上，所以在电机处于正常运行状态时，由蓄电池组为负载提供动力来源，而在负载电机进行制动馈能的过程中，可将其视为发电机，以电能的形式将动能回馈到直流母线上，此时母线电压能够出现瞬时的上升，为了对电压瞬时上升这一情况进行抑制，需要由超级电容模块吸收瞬时功率，且完成制动操作之后，电机重新回到正常运行状态，超级电容模块还能将所吸收的瞬时功率以能量的形式逐渐释放至外部

[4]。

（二）加减速控制方法

    汽车在启动时需要克服一定的负载力矩，减速时需要将动能转化成为电能，并向母线回馈。在汽车加速过程中，逆变器能够产生正向的力矩电流，并将母线拉低，同时超级电容模块响应，占空比及时释放能量，母线电压也就可以重新回到额定值。汽车减速时，动能可以转化成为电能并将母线电压抬高，同时超级电容模块响应，占空比增加，并吸收能量，也就可以将母线电压重新拉回到额定值范围内。

（三）力矩控制方法

    车辆的正常运行也能受到路况影响而出现电机负载力矩变化的情况，且能够引起电机转速的波动，所以母线电压能够在此过程中发生波动，在此过程中，只要转速指令不发生改变，施加正向或是反向力矩的过程，也就是仅应用蓄电池和复合储能系统进行响应的过程。

    在施加负力矩时，可以将负载视为发电机，随着转速上升，力矩电流可以快速做出响应，负力矩电流也就能够将转速拉回到额定的范围之内，以此为基础，在仅应用蓄电池的状态下，母线电压上升，而在复合储能系统当中，母线电压未出现显著变化。在施加正力矩时，可以将负载视为电动机，转速下降的过程中，力矩电流能迅速做出响应，正力矩电流可以快速将转速拉回到额定的范围当中，此时在仅应用蓄电池的状态下，母线电压能够显著下降，而在复合储能系统当中，母线电压虽然呈现出跌落趋势，但下降幅度较小。根据复合储能系统的特点，超级电容模块能够持续处于工作状态当中，并持续对电压的波动进行响应，所以母线电压能够持续处于额定值的范围之内，从而起到保护电池和提升能源利用率的作用。

结束语：

    综上，超级电容属于当代较为先进的一类储能元件，优势较为显著，将其应用于新能源汽车的复合储能系统当中，其可起到保护电池、提升电池利用率的作用，还可有效收集汽车运行过程中产生的能量，并延长电池的使用寿命，整体上来看具有较高的应用价值，并可起到推动新能源汽车产业发展的作用。

参考文献：

[1]许德州. 基于Soft Actor-Critic算法的电动汽车复合储能系统能量管理策略研究[D].中国矿业大学,2022.

[2]胡自豪. 新能源汽车功率型辅助储能装置对整车经济性影响分析[D].山东理工大学,2022.

[3]孙阔,张雪菲,迟福建,李桂鑫,罗涛,张梁.光伏电站复合储能电压波动抑制双层优化控制方法[J].可再生能源,2022,40(03):402-409.

[4]张振. 微网内复合储能系统的DC/DC变换器设计与协调控制研究[D].兰州交通大学,2021.