基于电阻平衡的大功率锂离子电池与超级电容器的直接混合充电优化

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文章摘要

本研究旨在填补电池与超级电容器直接并联充电的研究空白。两者之间的简单并联将产生不成比例的电流分布，并限制有效的容量利用率。因此，本研究评估了两种在大电流应用下最大化容量利用率的方法:脉冲充电和微调电阻分布的恒流充电。结果表明，微调电阻法在有效充电容量和充电时间上均优于脉冲充电法。

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背景概述

近年来电动汽车得到了迅速发展。锂离子电池能量密度高、循环性能优异、无记忆效，已成为电动汽车的首选。然而，由于功率密度和循环寿命的限制，锂离子电存在一定的应用局限。与锂离子电池相比，超级电容器具有更高的功率密度、更短的充电时间、更长的循环寿命，能够更好地满足各种电子设备的功率需求。适用于快速、频繁的充放电。然而，超级电容器能量密度低的缺点也不容忽视。

为了同时保证高能量和功率密度，基于锂离子电池和超级电容器的混合储能系统已被开发并应用。该混合系统结合了锂离子电池和超级电容器的优点，具有高能量和高功率密度在汽车上使用混合动力系统可以有效地处理车辆负载的短期和瞬时高功率需求。

本文的研究内容就是对锂离子电池和超级电容器结合的混合能量系的充电方法。

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研究现状

目前对混合动力系统充电的研究较少，现有的相关研究主要集中在对电池和超级电容器进行单独充电。虽然存在直接并联拓扑，但没有针对直接并联充电的具体研究。为了填补这一研究空白，本文对锂离子电池与超级电容器直接并联充电进行了研究。直接并联充电不需要强大的电子元件。它结构简单，可以显著降低混合动力系统的整体复杂性和成本，有利于市场推广。

而内阻及其压流特性会影响锂离子电池和超级电容器的电流分布。电流分布不均匀会降低直流并联系统的容量利用率，特别是在大电流充电时。本文将通过平衡充电过程中的电流分布来解决这一问题。

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研究方法

图1 混合系统的等效电路模型。（a）锂离子电池模型。（b）超级电容器模型

1、提出了混合系统的等效电路模型，并通过实验完成模型的参数识别。

2、接触电阻导致电池与超级电容器端电压不一致，从而限制了混合系统的有效容量利用率。为了优化直接并联充电效果，提出两种抑制接触内阻影响的方法——脉冲电流和微调电阻。

3、为了使实验更加完善，使用了由Argonne National Lab提出的电池容量衰减模型。

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研究结果

图2 不同初始荷电状态下微调电阻的结果。（a）和（b）对应SOCB_Init=0.1,SOCSC_Init=0.2，（c）和（d）对应SOCB_Init=0.2,SOCSC_Init=0.1。

通过实验验证了混合系统的等效电路模型。然后，通过仿真和横流实验，得到了混合动力系统的功率分布。最后，得出了两种方法对混合系统充电的改进效果。

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讨论

图3 实验和仿真下端电压的相对误差。

这一部分分析了仿真模型的误差。并对脉冲充电法和微调电阻法进行了比较。之后，在同样的实验条件下，将微调电阻法与传统方法进行对比。最后，说明了微调电阻法的优点和局限性。

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研究结论

本文研究了锂离子电池与超级电容器的直接并联充电。通过仿真和实验得到了混合动力系统的功率分配。提出并比较了两种优化混合动力系统充电效果的方法。并阐述了微调电阻法对锂离子电池寿命的影响。本研究可以得出以下结论:

1、在混合动力系统中，接触电阻会导致功率分配受限。而且充电电流越大，这种现象越明显。

2、脉冲充电可以略微提高混合动力系统的充电容量，但会显著延长充电时间。微调电阻法在充电容量和充电时间上均优于脉冲充电法。

3、微调电阻法可以显著改善充电效果并延长电池寿命。在较高的电流下，效果更好。而且这种方法适用于不同的初始SOC。

未来对混合动力系统充电的研究将集中在以下方面：（1）模拟模型的准确性。（2） 进一步提高混合动力系统的充电能力。