技术背景
　　随着化石能源的不断枯竭以及人们对电能需求越来越高，新能源开发利用、电动汽车、轨道再生能量回收等领域成为当前的研究热点。储能系统作为新能源并网系统、电动汽车动力系统、制动能量回收系统的关键组成部分，具有越来越广阔的应用前景。
　　目前，储能系统的主要储能元件一般为单一电池或者超级电容元件。面对应用中大功率大能量并存的特点，以单一电池作为储能元件存在较多的问题，最为突出的是电池功率密度较低，难以有效满足大功率场合的需求，而风电、光伏等新能源并网的平滑输出、频率控制、快速功率响应、以及电动汽车启动、轨道交通车辆制动等过程，均要求储能系统具有提供短时大功率的能力。较大的充放电电流冲击将导致电池效率低下且容易加剧电池之间的不一致，极大降低了储能系统的循环寿命和安全可靠性。而超级电容储能系统则受限于超级电容自身能量密度低的缺点，若要满足大容量存储场合将需要大量的电容单体，其整体重量及体积将数倍于电池储能系统，同时由于超级电容价格昂贵，储能系统的成本也将大幅上升。
　　因此，将电池和超级电容组成混合储能系统，通过两者之间的优化匹配和能量协调控制，可以有效提高储能系统的性能并降低成本，解决储能系统实际应用中的问题。
关键技术
　　电池电容混合储能系统一般以电池和双向DC/DC变换器并联作为其拓扑结构，结合电池高性价比和超级电容高比功率的优点，通过控制系统实现能量在电池和超级电容中的合理分配，可以实现能源的高效利用，同时改善电池的循环次数，提升储能系统的使用寿命。

图1 混合储能系统拓扑结构

　　混合储能系统要充分发挥其性能、使用寿命、系统成本等各方面的优势，其关键在于解决混合储能系统中电池和超级电容的容量优化匹配及能量协调控制问题。电池和超级电容在能量密度、功率密度、响应时间等特性上具有不同的特点，而电池超级电容混合的结构在性能、成本上则介于两者之间。为了解决应用中电池和超级电容的容量优化匹配问题，对电池电容混合储能系统进行建模，从能量流和功率链角度仿真分析匹配模型与能量吸收释放特性之间的关系，得到了混合储能系统中电池和超级电容的容量优化匹配模型，为混合储能系统在不同工况下的应用提供容量匹配算法。

图2 混合储能系统容量优化匹配方法

　　新能源应用场合通常具有大功率大能量的特点，对储能系统冲击较大，这将导致储能元件处于大电流的充放电状态中。混合储能系统中包含电池和超级电容两种储能元件，其吸收释放能量的功率形式并不相同，根据电池和超级电容的充放电特性以及所处的外部能量形式，设计双向DC/DC 控制变换器各个状态下的控制策略。根据实时采集的数据分析储能装置当前状态，结合电池和超级电容的充放电特性，判断储能系统当前的最佳能量分配方式，以该充放电方式作为反馈参量得到变换器控制器的驱动信号，并控制双向DC/DC 变换器的输出，使电池和超级电容的充放电电流处于理想工作范围。

图3 混合储能系统协调控制策略

技术优势
　　1、采用混合储能技术，将电池高性价比和超级电容高比功率的优点结合，解决采用单一元件的储能系统难以同时满足大功率大能量的问题。
　　2、通过研究混合储能系统匹配模型参数与能量、功率特性的关系，获得可供各应用领域选用的电池电容混合储能系统的容量优化匹配方法，使得储能系统能量密度、功率密度及响应时间等技术参数在满足实际工况要求的同时具有良好的经济性。
　　3、基于电池和超级电容的荷电状态SOC研究混合储能系统的动态能量分配方法，获得混合储能系统的能量协调控制策略，使得两种储能源的充放电电流处于理想工作范围，在实现能源有效利用的同时提高整体储能系统的使用寿命。
应用领域
　　电池电容混合储能系统结合电池和超级电容两种储能元件的优点，提高了储能系统的性能、使用寿命及经济性，在新能源并网、电动汽车以及轨道电力回收等领域都具有较好的应用前景。

图4 混合储能系统应用领域

联系方式：中国科学院广州能源研究所储能技术实验室
宋文吉 13760621475，020-87059478
邮箱：songwj@ms.giec.ac.cn