储能科学与技术, 2022, 11(1): 98-106 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0229

储能系统与工程

电池-超级电容器混合储能系统研究进展

乔亮波,1,3, 张晓虎,1,2, 孙现众1,2, 张熊1,2, 马衍伟1,2

1.中国科学院电工研究所，北京 100190

2.中国科学院大学，北京 100049

3.中国矿业大学 （北京） 机电与信息工程学院，北京 100083

Advances in battery-supercapacitor hybrid energy storage system

QIAO Liangbo,1,3, ZHANG Xiaohu,1,2, SUN Xianzhong1,2, ZHANG Xiong1,2, MA Yanwei1,2

1.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3.School of Mechanical Electronic Information and Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China

收稿日期: 2021-05-12   修回日期: 2021-07-20  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52077207

Received: 2021-05-12   Revised: 2021-07-20  

作者简介 About authors

乔亮波（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为超级容器和锂电池复合使用，E-mail：qiaoliangb@163.com E-mail：qiaoliangb@163.com。

张晓虎，工程师，主要研究方向为电化学储能技术及应用，E-mail：xhzhang@mail.iee.ac.cn。 E-mail：xhzhang@mail.iee.ac.cn。

摘要

储能是解决可再生能源大规模发电并网、推动新能源汽车发展、实现“碳达峰”“碳中和”中长期目标的关键支撑技术。能量型储能器件与功率型储能器件组成的混合储能系统是能量管理和功率管理的高效系统，充分发挥了能量型储能的持久性和功率型储能的快速性，大幅提升了储能系统的综合性能和经济性。本文概述了能量型和功率型电化学储能技术及特点，总结了各类电池-超级电容器混合储能系统，分析了混合储能系统在电网储能、新能源汽车、轨道交通等领域的应用。详细分析了电池-超级电容器混合储能系统关键技术，包括混合储能系统控制和能量管理，总结了近期较为常见的混合储能系统使用的控制方法；混合储能系统的参数匹配和技术经济性进行分析；介绍了混合储能系统拓扑结构分类，并讨论各种拓扑结构的优缺点。此外，还对电池-超级电容器混合储能系统和单一储能系统进行了仿真对比，验证了混合储能系统相较于单一储能系统的优越性。最后，对电池-超级电容器混合储能系统进行了总结和展望。

关键词： 能量型储能 ; 功率型储能 ; 混合储能系统 ; 电池-超级电容器

Abstract

Energy storage is a key supporting technology for solving the problem of large-scale grid connection of renewable energy generation, promoting the development of new energy vehicles, and achieving the medium-and long-term goals of carbon peak and carbon neutralization. The hybrid energy storage system composed of an energy-type energy storage device and a power-type energy storage device is an efficient system for energy and power management that gives full play to the durability of the energy-type energy storage and the rapidity of the power-type energy storage. It also greatly improves the comprehensive performance and economy of the energy storage system. This paper summarizes the energy and power electrochemical energy storage technologies, and characteristics and various battery-supercapacitor hybrid energy storage systems (BSHESS). The application of the hybrid energy storage system in the power grid energy storage, new energy vehicles, rail transit, and other fields is analyzed. The key technologies of the BSHESS, including their control and energy management, are analyzed in detail, and the control methods commonly used in the hybrid energy storage system are summarized. Moreover, an analysis of the parameter matching and technical economy of the BSHESS is performed. The topological structure classification of the BSHESS is summarized, and the advantages and disadvantages of each topological structure are discussed. In addition, a simulation comparison between the BSHESS and the single energy storage system is performed to verify the superiority of the former over the latter. Finally, development prospects are proposed.

Keywords： energy storage technology ; power type energy storage technology ; hybrid energy storage system ; battery-supercapacitor

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本文引用格式

乔亮波, 张晓虎, 孙现众, 张熊, 马衍伟. 电池-超级电容器混合储能系统研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(1): 98-106

QIAO Liangbo. Advances in battery-supercapacitor hybrid energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(1): 98-106

随着全球石化能源过度消耗和环境污染问题的日益加剧，以可再生能源大规模开发利用和新能源汽车快速发展为特征的新一轮能源革命蓬勃兴起。然而，无论是以太阳能和风能为代表的可再生能源清洁发电，还是以纯电动汽车为主的新能源汽车行驶，均离不开储能装置进行能量转化、储存和使用。根据储能特性，储能装置分为能量型储能技术与功率型储能技术，其中能量型储能器件主要包括铅酸电池、钠离子电池[1]、锂离子电池[2]、液流电池等，功率型储能器件主要包括飞轮储能、超级电容器[3]、锂离子电容器[4-6]等。如表1所示，不同能量型储能器件含有不同技术参数。然而单一储能系统(energy storage system，ESS)仍然存在功率密度和能量密度不能兼顾、高温性能和低温性能不能兼容、工作倍率和循环寿命不能协同等关键问题。如图1所示，能量型储能技术与功率型储能技术组成的混合储能系统(hybrid energy storage system，HESS)是能量管理和功率管理的高效系统，充分发挥了能量型储能的持久性和功率型储能的快速性，能大幅提升储能系统的综合性能和经济性，为工况复杂的应用领域提供一种重要的解决方案。

表1   电化学储能技术参数[3]

Table 1  Parameters of electrochemical energy storage technology[3]

性能能量型储能功率型储能
铅蓄电池[7]锂离子电池[2,8]钠离子电池[1]液流电池[8]超级电容器[3]锂离子电容器[6]
能量密度/(W·h/kg)30～50100～200100～15030～504～1022～40
功率密度/(W/kg)—250～450100～120—3000～200003000～17200
寿命/年2～45～201～510～20——
高低温性能一般一般一般优优优
安全性能优中优优优优
循环次数/次2000～45002000～25001000～1200>10000150000～500000500000～1000000
环保性铅污染无无无无无
充电时间6～8 h30 min～8 h30 min～8 h30 min～8 h≤2 min≤2 min
持续放电时间2～12 h30 min～8 h30 min～8 h30 min～8 h1～60 s1 s～30 min

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图1

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图1   混合储能特性分类示意图

Fig. 1   Classification diagram of hybrid energy storage characteristics


1 混合储能系统的应用

HESS兼具功率密度与能量密度等优势，具有较强的工况适应性，非常适合在工况复杂的环境中应用。如图2所示，可以在电动汽车[8, 10-11]、电力储能[9, 12-13]、轨道交通等领域进行应用，通常情况下，HESS是由高功率密度和高能量密度的器件组成的，这样既满足能量需求，又满足功率需求。合适的HESS取决于储能条件多样性，包括储能组合目的、储能成本、地理位置和储能空间可用性。下文将介绍主要应用场所及其优点。

图2

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图2   混合储能系统主要应用领域示意图

Fig. 2   Schematic diagram of hybrid power application


1.1　混合储能在汽车上的应用

为了节能减排，现在世界各国开始研发电动汽车，电动汽车的核心技术是续航能力、电池寿命和加速快慢等。在汽车突然加速或者爬坡时容易造成电池的损坏，这一情况在电动汽车中是很常见的，因为不同的因素，如驾驶风格、道路等，这导致电力消耗，电流大小快速变化，当电动汽车在加速过程中需要大电流时，电池组释放大电流输出，同理在车辆制动过程中产生高倍率电流进入电池中，高倍率电流会对电池电解质造成不利影响，严重时缩短电池的寿命。现在多种类型电池被应用于电动汽车[14-15]，图3为HESS应用在电动汽车上的原理图，使用HESS能减少电流波动对电池的负面作用，延长了电池使用寿命。混合储能还可以通过吸收制动过程中产生的能量来提高电动汽车使用效率[10]。

图3

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图3   混合储能系统在电动汽车上的应用

Fig. 3   Application of hybrid energy storage system in electric vehicles


当HESS加入到电动汽车的设计中，汽车的制动能量被储存在电池和超级电容器中，其中超级电容器吸收主要峰值功率，电池在超级电容器之后吸收功率。一款设计精良、能量密度高、循环寿命长的混合储能电动汽车要比仅有电池组电动车性能优良许多，可以解决电池的弊端。因此，汽车使用HESS后性能大幅提高[16]，能够对电动汽车整体性能产生积极影响[17]，首先HESS可以使汽车进行冷启动，在气温比较低时，可以由超级电容器进行启动；第二是电动汽车由超级电容提供高倍率电流，能够避免电池大电流的输入和输出，电池寿命得到延长，成本降低；第三是通过超级电容器来吸收汽车制动时产生的回馈能量，降低能量损耗；最后是超级电容器辅助驱动，在汽车加速时更快，爬坡更有动力，续航能力得到提升。例如超级跑车兰博基尼应用混合储能系统，利用混合储能系统进行启动，使得车辆使用效率更高。宁波中车新能源已累计推广超级电容客车约6000辆。2019年中国品牌轿车“红旗H5”上市，采用烯晶碳能的超级电容器应用于辅助启停系统，提供汽车高倍率功率输出。2019年2月，美国特斯拉汽车公司收购超级电容制造商Maxwell，开始进行在电动汽车领域把锂离子电池和超级电容器复合使用的尝试。2020年7月15日，超级电容公交车成功亮相白俄罗斯首届“电动汽车日”。

1.2　混合储能在电网储能的应用

储能技术在可再生能源大规模发电并网应用场景工况复杂，研究人员用HESS来改善风能和太阳能的波动[18]。原理图如图4所示，HESS可以组合多个储能器件，用以缓解和减轻发电源(风能和太阳能)所带来的一些不利影响。风力发电由不同幅值的频率分量组成，由于HESS同时包含低速和高速响应，同单一ESS相比，可以获得更好的平滑性。Jiang等[19]提出了一种基于小波变换算法的复合容量配置，用于缓冲风电功率的波动，考虑到可再生能源输出功率的频率分布，采用电池和超级电容器的组合进行调节。在文献[20]中也提出了类似的复合电源，用于管理偏远地区供电的风能波动。

图4

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图4   混合储能系统在电网储能上的应用

Fig. 4   Application of HESS in grid energy storage


在传统光伏太阳能系统中也使用了HESS，在原有单一ESS上复合了超级电容，这样可以提高光伏系统充放电效率和改善电能质量[21]；Wang等[22]提出了一种基于电池和超级电容器的混合储能技术，用于平滑1 MW并网光伏发电系统的振荡输出功率，所提出的光伏电站功率管理是一种基于规则的算法，与传统技术相比，该方案的主要如下优点：在低功率水平下，将超级电容器所需额定功率降低到电池的20%，从而提高了其整体效率。

在微电网系统中，电池储能具有良好的频率调节功能。但是调节频率会缩短电池的寿命。此外，电池需要在一次变频控制中应对突然的功率变化，这也会加速电池的损坏。为了解决上述问题，可以采用混合储能系统，这样既实现了频率调节功能，又延长了电池使用寿命。另外可以应用在电网储存方面，电网的夜间用电量小，可以用储能设备进行储存，白天用电量大时再释放出来，为了避免电池充放电的次数过多，可以混合一个超级电容器，这样就可以使得电能削峰填谷，并且使电池寿命得到延长。2014年，Maxwell科技公司宣布德国可再生能源系统开发商和分销商FREQCON公司为爱尔兰的Tallaght智能电网测试平台开发出一套储能系统，该系统使用超级电容和锂离子电池为住宅电网和工业电网提供电力，确保电网稳定性。2016年，Maxwell科技公司与美国公共电力公司杜克能源公司合作，推出了稳定太阳能发电的新一代电网储能系统，该系统是超级电容器和电池混合的储能系统，解决了电能波动性问题。

1.3　混合储能在轨道交通的应用

在轨道交通车辆中，利用超级电容器功率高、低温特性好、安全性高等优势，再与具有高能量密度的电池混合使用，就可以实现高功率储能或释放，以及制动能量的回馈，延长电池的使用寿命，并且还能作为备用电源，以备列车供电故障引起的不时之需。图5展示了混合储能系统在轨道应用的供电系统结构。2017年成功研制了燃料电池-超级电容混合动力的有轨电车，该车运行速度可达70 km/h，列车连续形成里程能够达到40 km以上，在国内首次实现动力电池、超级电容和燃料电池混合动力系统为车辆提供牵引以及辅助供电，其中超级电容器为车辆启停瞬间提供高倍率电流进行充放电，延长电池的使用寿命[23-24]。近几年来，城轨列车发展十分迅速，城轨列车在城市中启动和刹车的次数也越来越多，但是启动和刹车会对牵引电网产生较大的冲击，章宝歌等[25]提出一种超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统，这样就可以维持牵引电网的稳定，保证列车行驶安全。杨浩丰等[26]利用电池/超级混合储能系统的高能量密度和高功率密度的特点，在城市轨道交通进行应用，节能效果得到提升，电池寿命明显延长。

图5

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图5   含混合储能系统的轨道供电系统结构

Fig. 5   Structure of rail power supply system with HESS


2 混合储能的关键技术

2.1　混合储能的参数匹配

为了满足不同应用工况需求，充分发挥电池比能量高和超级电容器比功率高的优点，HESS的技术参数(电压、容量、功率等)匹配是非常重要的。但目前使用储能设备整体结构的设计，会使储能电源空间受到限制，所以也不能一味地增加电池和超级电容器数目，应该对HESS进行合理的参数匹配，这样才能既满足负载性能需求又不浪费资源，降低储能电源购买成本，做到性价比最大化，这对电动汽车和可再生能源的稳定性、经济性等有着巨大影响。

参数匹配之前，需要先对混合储能各个器件进行充放电实验，通过实验了解各个器件性能特点，为后面参数匹配奠定基础，其次是要确定HESS拓扑结构，不同拓扑结构参数匹配结果也不相同。在选定电池与超级电容器型号基础上，需要确认负载对复合电源功率需求和能量需求，根据能量和功率需求得出电池组与超级电容器组的能量、功率，对单体数目进行配置，即HESS参数匹配目的是确定电池单体数目和超级电容器单体数目。电池组的能量配置主要受需求能量的影响。电池组功率配置主要受放电倍率的影响，电池的配置要能够满足负载的能量需求和一定的功率需求。超级电容器主要目的是提供高功率以及吸收能量，因此，在设备典型运行条件下最大需求能量和连续回馈能量决定着超级电容器能量配置，而超级电容器功率配置取决于负载所需的峰值功率。

2.2　混合储能的结构

HESS的结构设计是根据储能特性分析确定的，选择其最优结构方案。HESS的结构主要有电池和超级电容器直接并联、超级电容器和电池通过电感并联、超级电容器和电池通过DC/DC并联这3类[25]。超级电容器和电池直接并联是混合储能众多结构中最为简单的一种结构，如图6(a)所示，直接并联能够有效地减少电池最大电流的输出，提高混合储能的功率输出。但这种工作方式也有不足之处，如由于超级电容器和电池直接并联，会使两个储能器件电压强制相等。第二类通过串联电感的结构，如图6(b)所示，电感具有滤波作用，可以稳定电池的输出电流，可以有效地抑制电流纹波，与直接并联相比，电池输出电流会很平稳。通过双向DC/DC并联结构又分为以下两种[27]：主动式、半主动式[25, 28]。其中半主动结构又分为电池半主动和超级电容器半主动。如图6(c)所示，半主动式结构是超级电容器和DC/DC串联后再同电池并联，此结构通过电池控制着负载电压，而超级电容器和DC/DC串联可以有效地保护电池，高功率输出就可以由超级电容器承担。如图6(d)所示，这种结构是电池先与双向DC/DC变换器串联后再同超级电容器并联[29]，其中超级电容器决定负载的电压，可及时提供给负载峰值功率，同时也能够吸收负载反馈的能量。最后一种结构是超级电容器和电池分别串联双向DC/DC变换器后同负载进行并联，如图6(e)所示，这种结构综合了两种半主动式的优点，但使用两个双向DC/DC变换器，会导致成本增加，并且需要复杂度更高的控制系统。

图6

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图6   混合储能系统的结构

Fig. 6   Structure of HESS


2.3　混合储能系统控制和能量管理

HESS系统的控制和能量管理策略比单一ESS更加复杂。为了充分利用ESS各自的优势，必须要明确控制目标，系统控制和能量管理主要的目的是充分供给负载能量和功率，保证其工作效率最大，然后充分发挥两种电源各自的优势，尤其是发挥超级电容器高功率密度特性。此外，具有非线性和时变特性，例如自放电(超级电容器)和记忆效应(电池)等，都应包括在控制系统。能量分配是指结合技术的充电类型、电荷状态、电源电压、电流和时间特性，通过不同的情况来分配这些能量[30]。针对上述问题，研究人员提出了各种控制技术，包括鲁棒控制[31-32]、模糊控制[33-34]、数字控制[35]、微分平滑[36]、模型预测控制[37]、自适应控制[38]、滑模控制[39]和知识库控制方法[40]。

2.4　混合储能的技术经济分析

超级电容器和电池组成的混合储能具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长的优点。同时建立混合动力模型，并对其性能进行分析，在脉冲负载应用中，由于超级电容器的高功率密度，可以大大减少电池数量和储能系统的成本。Tamura等[41]考虑了HESS的经济性能，这是当今研究尚未定量分析的。特别地，提出了一种定量评估用于电力系统频率控制混合电池储能成本的方法，并对两种类型的混合电池储能成本进行了模拟。结果表明，HESS比单一ESS具有更高的经济效益。Soltani等[42]在电动汽车分别应用单一储能和混合储能，根据不同的参数以及对应的成本做了分析，锂离子电池成本是HESS成本的144%左右，体积减小了30%，质量减小了31%，具体性能参数对比见表2。

表2   单一储能和混合储能的性能参数对比[42]

Table 2  Obtained results for both the LiB-ESS and HESS[42]

参数锂离子电池锂离子电池+锂离子电容器
单次放电时间/s6625966794
单次放电行驶里程/km260.4262.5
电池温度/℃25.7LiB:25.4 LiC:35
最大放电电流/A20.2LiB:12.26 LiC:451
最大充电电流/A15.2LiB:9.7 LiC:572
寿命结束时行驶里程/km410476.2480148.4
寿命结束时行驶时间/h29015.233940
质量/kg2300.91587.4
体积/L1053.7735.9
电量/(kW·h)392259.6

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3 混合储能和单一储能仿真结果对比分析

为验证混合储能和单一储能的区别，选用电动汽车为应用对象，展开对混合储能和单一储能的仿真分析，混合储能为超级电容器和锂离子电池复合，而单一储能仅使用锂离子电池，在Advisor软件上进行仿真，仿真系统为Advisor软件自带的系统，修改其中一定的参数就可以实现。电动汽车在同一中国经典城市行驶工况，混合储能和单一储能两种情况下查看锂离子电池SOC状况。如图7所示，可以看到单一储能下，锂离子电池的SOC下降速度较快，混合储能下电池SOC下降程度要小于单一储能SOC。这是因为在混合储能中，由于超级电容器的加入，可以缓解锂离子电池放电压力。为了直观地看到混合储能对锂离子电池的保护作用，可将混合储能中锂离子电池电流和单一储能中锂离子电池电流做比较，图8为混合储能和单一储能中的电池电流曲线，从中可以看到混合储能中的电池电流基本上都在50 A左右，而单一储能电流明显要高于混合储能电池电流，高倍率电流必然对单一储能中锂离子电池寿命产生较大影响，更严重有可能发生安全问题。而在混合储能中超级电容器可以进行高倍率电流充放电，则锂离子电池充放电的电流自然会减小，延长锂离子电池寿命，提高整车电源的安全性。

图7

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图7   混合储能与单一储能电池SOC对比

Fig. 7   Comparison of battery SOC between HESS and single ESS


图8

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图8   混合储能与单一储能的电流对比

Fig. 8   Comparison of current between HESS and single ESS


图9为单一储能的锂离子电池、混合储能锂离子电池和混合储能超级电容器的功率对比，可以看出，驱动工况下混合储能的电池功率输出很小，制动工况下混合储能中的电池输出功率基本上为零，这说明超级电容器对制动功率进行回收，而且在高功率行驶状态时一般由超级电容器和锂离子电池同时提供电能，可以频繁地回收制动能量，这体现了超级电容器具有“削峰填谷”的作用。再看单一储能锂离子电池功率输出情况，从曲线上可以看到，没有超级电容器参与，锂离子电池只能自己提供较大功率，但由于其本身循环次数和功率密度低于超级电容器，所以在行驶过程中，频繁进行高功率输出，使得锂离子电池寿命降低，增加电动汽车的使用成本。

图9

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图9   三者功率变化对比曲线

Fig. 9   Contrast curves of power changes among the three


4 总结与展望

目前，全球可再生能源大规模发电并网和电动汽车不断普及，储能技术备受关注。但是，由于应用工况的复杂性，单一ESS很难满足所有的应用需求，HESS是当前能量储存技术组成的一种解决方案。HESS在汽车、电网储能、轨道交通等应用中的重要优势可以总结为：储能系统全寿命周期成本降低、工作温度范围宽、电能质量改善、寿命长且安全性较高、释放和吸收峰值功率具有较高的环境适应性和可靠性。根据使用的目的，优化设计HESS能够获得更好的效益。研究混合储能的关键技术，包括混合储能的控制和能量管理，通过合理的控制策略，使得电池和超级电容器最大化地发挥其作用。根据混合储能的特性、控制策略、经济成本等要素来确定，选择一个最优的HESS结构方案。根据应用场所的不同，HESS应设计出相应的参数，达到设计指标，使其最大化为负载提供相应能量和功率。对HESS经济效益分析，获得混合储能系统的全寿命周期成本。通过混合储能和单一储能的对比分析，了解到混合储能性能明显优于单一储能，混合储能可以降低锂离子电池高倍率充放电的电流，也降低电池高功率的输出，起到保护锂离子电池作用。

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