超级电容系统构型及其应用技术

复合电源系统主要由动力电池组、超级电容组和DC/DC功率变换器组成，根据三者的布置型式和DC/DC功率变换器数目的不同主要分为三种构型：被动式、半主动式和主动式，其结构简图如图7−2所示。被动式复合电源将动力电池组与超级电容组并联后直接接入直流母线，具有结构简单、布置灵活、无须控制等优点，但是，超级电容组的电压由于受到动力电池组及母线电压的限制，其变化范围只能在某一小范围内，所以无法充分利用超级电容组进行能量的储存。主动式复合电源则可以在动力电池组、超级电容组以及DC母线两两中间加装两个DC/DC功率变换器，其中最常见的是分别在动力电池组和超级电容组与DC母线之间加装一个DC/DC功率变换器，如图7−2（c）所示。这种形式的复合电源能够根据实际功率需求，实现两个储能单元的独立控制，能够达到最佳控制效果。但是，缺点是整个系统体积庞大，造成布置困难，同时使用两个DC/DC功率变换器也增加了系统控制难度和构造成本。半主动式复合电源则平衡了上述两种形式的优缺点，其结构型式如图7−2（b）所示。动力电池组作为主要储能装置直接接入直流DC母线，而超级电容组则通过一个双向DC/DC功率变换器再接入母线。该形式的复合电源可以通过合理控制DC/DC功率变换器调整超级电容组的输出功率，以实现减小动力电池组峰值和动态负载，延长循环使用寿命的目的。由于与主动式相比，半主动式仅利用一个DC/DC功率变换器，在有效提升系统性能的同时，也降低了控制的难度。选用超级电容组串联式半主动式复合电源，通过一个DC/DC功率变换器将超级电容组与DC母线相连，整车整体构型如图7−3所示，车辆各主要部件参数如表7−1所示。DC/DC功率变换器根据整车控制单元的指令管理超级电容组的功率输出，其余功率需求则由动力电池组满足。电机不仅可以在驱动模式下输出驱动力矩，也能作为发电机回收制动能量，包括电机控制器的电机系统效率MAP图如图7−4所示。

图7−2　复合电源主要构型

（a）被动式；（b）半主动式；（c）主动式

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图7−3　动力系统构型简图

表7−1　电动车辆主要部件参数

图7−4　电机及其控制器系统效率MAP图