摘要：

工业与技术的进步，加之人口增长和对舒适生活方式的需求日益增加，不断推高着能源消耗。传统能源的枯竭促使人们日益关注可再生能源与替代能源。可再生能源指自然界中持续补充且通过自然过程可持续产生的能源类型。近年来，光伏技术因其模块化结构、简易安装、先进技术水平及低运营成本，已成为最受青睐的可再生能源系统之一。储能装置对于确保在各种情况下满足能源需求至关重要。混合能源存储系统在储能领域发挥着重要作用，能实现资源的高效利用。本文探讨了由锂离子电池（Li-ion）和超级电容器（SC）组成的混合能源存储系统（HESS）的开发。该设计系统与光伏系统集成，以满足无刷直流电机（BLDC）的能源需求。

文章简介：

可再生能源依赖自然资源，其发电量会因大气条件和季节变化而波动。这种波动性使能源供需平衡变得复杂，需要储能技术来保障供电可靠性。能源存储通过收集多余能量以备后用，既能降低断电风险，又能增强电网安全性。此外，在用电高峰期储存能量并在低谷期释放，有助于稳定能源价格，促进市场平稳运行。因此，能源存储被视为有效利用可再生资源的关键策略。

多年来，为满足不同需求，人们探索了多种能源存储方法。混合蓄能系统（HESS）与先进可充电电池技术（ARBT）已成为全球提升可再生能源效率研究的核心焦点。混合蓄能通过整合不同储能技术，提供更高效可靠的解决方案。这些系统基于混合能源开发，旨在增强储能容量。电力储能的关键组件包括电池、超导线圈和超级电容器。在这些系统中进行最优选择需要基于储能容量、功率密度、可靠性、能量密度、控制复杂度及充电时间等参数进行比较分析。评估这些参数对确定混合能源存储系统的有效性至关重要。在混合能源存储系统中，高能量容量和高能量密度发挥着重要作用。高能量容量使系统能够长期储存能量，这对确保可再生能源系统的连续性至关重要。高能量密度则提供单位重量或体积更大的能量存储，从而实现更紧凑的设计。这对于便携设备和电动汽车等应用尤为有利，这些领域更倾向于采用更小更轻的系统。此外，高能量容量与能量密度对于满足更广泛的性能要求至关重要，因此此类系统的开发与优化具有极其重要的意义。在混合储能系统的设计中，预期其中一种储能组件将展现出高能量容量，而另一种则提供高功率容量。

当前能源系统普遍存在特性不理想的问题，往往仅具备高比功率（HSP）或高比能量（HSE）其中一项特性。在电动汽车领域，高比能量确保合理续航里程，而高比功率则对快速加速和爬坡能力至关重要。因此，通过协同能量流管理策略整合不同能源至关重要。例如，超级电容器以快速放电能力和高功率密度著称，但储能容量存在局限；相反，锂离子电池虽具备高能量密度和长储存周期，却面临功率输出的限制。将这两项技术集成于混合系统中，既能实现高能量与功率容量，又可兼顾快速响应与短/长时放电需求。此外，超级电容器的引入可减轻电池负荷，从而延长电池使用寿命。

如图1所示，电池与超级电容器的对比表明两种技术各有优劣。因此，混合使用这些系统可融合双方优势，从而实现更高效的储能解决方案。

图1.超级电容器（SC）与电池的比较。

在研究中，对超级电容器和锂电池进行了数学建模，并通过将这些储能元件并联连接实现了混合化。研究结果设计出一种储能单元，该单元结合了混合系统中两种储能元件的优势。许多研究人员建议将超级电容器与锂离子电池结合使用，并开发了各种模型和设计方案。

本研究旨在开发适用于电动轮椅的储能装置。锂离子电池因自放电率低（约每月5%）及能量密度高（115至165 Wh/kg）而被广泛应用于电动轮椅领域。然而此类电池存在充电缓慢（充满需数小时）及功率密度低等缺陷。为克服这些局限，研究采用串联式设计将超级电容器与锂离子电池并联连接。将超级电容器集成至混合系统，旨在发挥其高功率密度与快速充放电特性。该设计采用基于模糊逻辑的智能能源管理系统，确保超级电容器-锂离子电池在充放电及能量回收模式下高效利用电力。同时配备限速装置以降低锂离子电池的峰值功率。此外，设计了一对有源桥式转换器系统，以适应轮椅不同运行模式下的充放电需求。通过该储能单元设计，不仅缩小了充电装置体积，还利用再生机制实现高处下坡时的能量回收充电。本研究证明了混合储能系统在优化能源管理、提升运行效率方面的巨大潜力。同样地，在本研究中设计了一种由太阳能驱动的混合储能系统，该系统融合了超级电容器（SC）和锂离子电池，并探讨了该系统优化无刷直流电机驱动性能的潜力。在两种系统中，均采用整合储能元件作为提升能源效率的策略。

文章结论：

本研究成功设计并集成了一套由锂离子电池与超级电容器组成的混合储能系统。该系统与光伏能源协同工作，既能满足短期高功率需求，又能提供长期储能能力，实现高效的能源管理。通过对系统性能的评估分析，所获得的可量化数据充分验证了其有效性。在此背景下，无刷直流电机在0至0.2秒间保持约3牛米稳定电磁转矩，并在1秒内达到2000转/分钟的转速。超级电容器电压稳定维持在300伏，电流波动幅度控制在±10安培范围内。超级电容器的SOC水平在91.5%至94%之间波动，表明其在储能与能量传输过程中发挥着积极作用。锂离子电池电压维持在约300V，电流波动范围为±20A。电池初始SOC值测定为80%，随时间推移逐渐降低，同时因负载变化出现短暂波动。这些发现表明混合储能系统实现了高效均衡的能源管理。本研究通过MATLAB Simulink环境的仿真分析，提供了全面的系统解析。然而，为更深入理解该系统在实际运行条件下的性能表现，未来研究需聚焦于基于硬件的验证与实验测试。此项研究将提升模拟结果的可靠性，并为混合能源存储系统的实际应用提供宝贵见解。实验数据将验证理论建模所得结果的准确性，同时为混合能源存储系统集成领域的持续研究提供重要参考。

文章信息：

Investigation of the Power System Including PV, Super Capacitor and Lithium-Ion Storage Technologies Under BLDC Motor Load

Zeynep Tüfek*, Emrah Çetin*

https://doi.org/10.1002/bte2.20240064