将锂离子电池和超级电容器组合在混合储能系统（HESS）中的根本驱动因素是需要弥合长期能量容量和即时功率输送之间的差距。虽然锂离子电池在存储大量能量以供长时间使用方面表现出色，但超级电容器在快速释放能量方面表现出色。通过集成两者，工程师可以创建一个既能维持长时间运行，又能同时满足电动马达等动态负载的瞬时高功率需求的系统。
这种混合架构的核心价值在于其互补性：电池充当耐力深层储能库，而超级电容器则充当高速缓冲器来处理功率峰值，从而有效地保护电池免受压力。
利用互补的物理特性
要理解这种组合为何有效，必须考察每种组件独特的物理特性。
高能量密度的作用
锂离子电池为系统提供高能量密度。
这种特性负责系统的耐力，使其能够长时间供能。电池是这对组合中的“马拉松选手”，确保应用在不充电的情况下长时间运行。
高功率密度的作用
超级电容器为系统提供高功率密度。
与稳定释放能量的电池不同，超级电容器可以快速放电和充电。这使它们成为理想的“短跑选手”，能够处理突然的、强烈的电流爆发，否则这些爆发会压垮独立的电池。
解决动态负载挑战
在实际应用中，例如涉及无刷直流（BLDC）电机的应用中，功率需求很少是恒定的。
处理启动和加速
电机在启动和加速期间比在稳定运行时需要更多的功率。
混合系统将这些瞬时高电流需求路由到超级电容器。这确保了电机获得加速所需的即时功率，而不会导致主电源电压下降或性能下降。
保护电池健康
直接从锂离子电池抽取高电流可能对其内部化学性质有害。
通过将峰值负载转移到超级电容器，HESS 配置充当保护性缓冲器。这显著减轻了高电流对电池单元的影响，从而保持了电池容量并延长了电池组的整体寿命。
理解系统权衡
虽然混合系统提供了卓越的性能，但它旨在克服单一能源存储固有的特定限制。
独立电池的局限性
对于高功率应用仅依赖锂离子电池通常会导致系统过大且效率低下。要在没有超级电容器的情况下处理峰值电流，电池组通常需要比仅满足功率要求所需大得多，从而导致重量和体积的浪费。
独立超级电容器的局限性
相反，仅依赖超级电容器的系统将缺乏续航能力。虽然它们可以提供巨大的功率，但它们无法存储足够的能量来维持实际运行时间，因此不适合作为主要能源。
为您的设计做出正确选择
在设计电源系统时，实施 HESS 的决定取决于您负载的特定配置文件。
- 如果您的主要重点是稳态续航能力：优先考虑锂离子组件，以最大化能量密度以实现长期供应，仅在存在微小波动时才使用超级电容器。
- 如果您的主要重点是动态性能：利用超级电容器的高功率密度来处理频繁启动、剧烈加速或脉冲负载，而不会降低主电池的性能。
最终，结合这些技术可以使您将能量需求与功率需求分离，从而确保峰值性能和最大组件寿命。
总结表：
| 特性 | 锂离子电池 | 超级电容器 | 在 HESS 中的作用 |
|---|---|---|---|
| 能量密度 | 高 | 低 | 提供长期续航能力 |
| 功率密度 | 低 | 高 | 处理快速电流爆发 |
| 循环寿命 | 中等 | 优秀 | 吸收应力以延长系统寿命 |
| 响应时间 | 较慢 | 瞬时 | 平滑动态负载峰值 |
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参考文献
- Zeynep Tüfek, Emrah Çetin. Investigation of the Power System Including PV, Super Capacitor and Lithium‐Ion Storage Technologies Under BLDC Motor Load. DOI: 10.1002/bte2.20240064
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
