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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(lián)充電的研究空白。兩者之間的簡單并聯(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間上均優(yōu)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(fā)展。鋰離子電池能量密度高、循環(huán)性能優(yōu)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(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，超級電容器具有更高的功率密度、更短的充電時間、更長的循環(huán)壽命，能夠更好地滿足各種電子設(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(tǒng)已被開發(fā)并應(yīng)用。該混合系統(tǒng)結(jié)合了鋰離子電池和超級電容器的優(yōu)點，具有高能量和高功率密度在汽車上使用混合動力系統(tǒng)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(nèi)容就是對鋰離子電池和超級電容器結(jié)合的混合能量系的充電方法。

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研究現(xiàn)狀

目前對混合動力系統(tǒng)充電的研究較少，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要集中在對電池和超級電容器進行單獨充電。雖然存在直接并聯(lián)拓撲，但沒有針對直接并聯(lián)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(lián)充電進行了研究。直接并聯(lián)充電不需要強大的電子元件。它結(jié)構(gòu)簡單，可以顯著降低混合動力系統(tǒng)的整體復雜性和成本，有利于市場推廣。

而內(nèi)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(lián)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的等效電路模型，并通過實驗完成模型的參數(shù)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(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(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）對應(yīng)SOCB_Init=0.1,SOCSC_Init=0.2，（c）和（d）對應(yīng)SOCB_Init=0.2,SOCSC_Init=0.1。

通過實驗驗證了混合系統(tǒng)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(tǒng)的功率分布。最后，得出了兩種方法對混合系統(tǒng)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(diào)電阻法進行了比較。之后，在同樣的實驗條件下，將微調(diào)電阻法與傳統(tǒng)方法進行對比。最后，說明了微調(diào)電阻法的優(yōu)點和局限性。

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研究結(jié)論

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

1、在混合動力系統(tǒng)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(xiàn)象越明顯。

2、脈沖充電可以略微提高混合動力系統(tǒng)的充電容量，但會顯著延長充電時間。微調(diào)電阻法在充電容量和充電時間上均優(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(tǒng)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(tǒng)的充電能力。