超级电容器蓄电池混合电源

2006.11Vol.30No.11933研究与设计收稿日期：2006-05-29基金项目：国家高科技研究发展“863”计划资助项目（2002AA516020）。作者简介：唐西胜（1975一），男，江苏省人，博士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化；导师：齐智平（1958一），女，北京市人，研究员，主要研究方向为电力系统及其自动化。Biography:TANGXi-sheng(1975一),male,candidateforPhD.;tutor:OlZhi-ping(1958一),female,researcher.超级电容器蓄电池混合电源唐西胜1,2，齐智平1(1.中国科学院电工研究所，北京100080；2.中国科学院研究生院，北京100039）摘要：超级电容器与蓄电池混合使用，可以充分发挥蓄电池临临遏犬和超级电容器临劝率犬、循环寿命长的忧点，犬犬提升混合电源的性临。建立了蓄电池超级电容器并联的数学模型，定遏地分析了混合电源性临的改善及其影响因素。对宜接并联、通过电感器并联和通过劝率变换器并联三种结构进行了研究和实验验证。实验表明，混合电源的劝率输出临力犬犬提高了，蓄电池的放电过程得到了忧化；通过劝率变换器的并联结构具有较好的效果和实用性。关键词：蓄电池；超级电容器；劝率增强临力；电感器；劝率变换器中图分类号：TM53文献标识码：A文章编号：1002-087X(2006)11-0933-04StudyOntheultracapacitOr/batteryhybridsystemTANGXi-sheng1,2，OIZhi-ping1(1.InstituteOfElectricalEngineering,ChineseAcademyOfScience，Beijing100080，China；2.GraduateSchOOlOftheChineseAcademyOfScience,Beijing100039,China)Abstract：Soundperformancecanbeattainedthroughultracapacitor/batteryhybridsystem,whichmakesthebestofthecharacteristicsofhighenergydensityofbatteryandhighpowerdensityandlongcyclelifeofultracapacitor.Themathematicalmodeloftheultracapacitor/batteryhybridsystemwassetup.Thecharactersofitsuchaspeakpowerenhancementwerestudiedandthecorrelativefactorswereanalyzedinthepaper.Threemainstructuresincludingdirectlyconnection,connectionviainductanceandpowerconvertorwereputforwardandanalyzedinexperiments.Experimentsshowthatthepowercapacityofthehybridsystemwasenhancedgreatlyandthedischargingprocessofthebatterywasoptimized.Theconclusionthattheconnectionviapowerconvertorhassoundperformanceandpracticabilityisalsogiven.Keywords：battery；ultracapacitor；powerenhancement；inductance；powerconvertor随着科技的发展，数字设备和大功率脉仲工作的仪器设备越来越多。蓄电池由于内阻较大，比功率小，驱动这些脉动负载的能力不足，表现为内部损耗大，电源电压波动大，储能效率降低以及使用寿命缩短等。超级电容器是储能器件在能量和功率上的有机结合，具有比功率高、比能量高、循环寿命长、充放电效率高等特点。但从目前产品看，超级电容器的比能量与蓄电池相比偏低，大约是蓄电池的20%。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的特点相结合，无疑会给电力储能装置带来很大的性能提高。参考文献[1~6]指出，超级电容器与蓄电池并联使用，可以混合电源的负载适应能力（尤其是大功率脉动负载）有较大的提高，能够改善降低蓄电池的内部损耗、延长放电时间、增加使用寿命，还可以缩小电源的体积、改善可靠性和经济性。本文建立了超级电容器与蓄电池并联的数学模型，分析了超级电容器对蓄电池峰值功率的改善作用及其影响因素；研究了超级电容器与蓄电池并联的三种结构，并分别对这三种结构进行实验验证。1模型分析为了简化分析过程，根据参考文献[7]可以将蓄电池简化为理想电压源与其等效内阻的串联结构，将超级电容器简化为理想电容器与其等效内阻的串联结构，由于主要考虑系统的动态性能，对并联内阻可以不予考虑。超级电容器蓄电池并联模型的等效电路如图1所示。图中，Rc为超级电容器的等效串联内阻，Rb为蓄电池的等效串联内阻。Ic为超级电容器支路的电流，Ib为蓄电池支路的电流，I0为负载电流。对电路施加脉动负载，设定负载电流I0(t)的脉动周期为T，占空比为D，电流幅值为I0，即：（1）式中，!(t)是标准阶跃函数。()()()()1000NkItItkTtkDTffTT=---+LJzIbIaIcCVbRb+-934研究与设计2006.11Vol.30No.11根据文献[1]可以得到稳态工作时蓄电池支路的电流：（2）当t=(k+D)T时，Ibss(t)达到最大值：（3）式中，!大于1。由此可见，当蓄电池与超级电容器并联时，蓄电池支路的最大输出电流值小于脉动负载的电流幅值，这部分负载电流由超级电容器支路分担。由于超级电容器的比功率很高，输出电流能力很强，因此，电源的功率输出能力提高了。!为系统的功率增强因子，!越大，输出功率的能力越强；!与负载的参数相关，包括占空比和周期；!还与超级电容器和蓄电池的参数相关，包括蓄电池内阻、超级电容器内阻和电容量。图2说明了功率增强因子!与脉动负载参数的关系。负载的占空比越小，周期越小，功率增强因子!越大，超级电容器对混合电源的功率提升作用越大。图3为功率增强因子!与超级电容器组参数的关系，包括内阻和电容量。在其它条件不变的情况下，超级电容器的内阻越小，电容量越大，!越大，混合电源的功率输出能力越强。设超级电容器单体的内阻为Rsc，电容量为Cs，采用s串p并的组合方式。定义m为超级电容器组的结构参数，m=s/p，则组合后的Rc=mRsc，C=Cs/m。由式（3）可知，随着m的减小，混合系统的功率增强因子变大。即，增加超级电容器组的并联数，可以增强混合电源的功率输出能力。从以上分析可见，通过并联超级电容器，降低了蓄电池在脉动负载时的输出电流峰值，抑制了蓄电池的电压跌落，其效果相当于蓄电池等效内阻的降低。而等效内阻的降低，提高了蓄电池的动态响应能力，使蓄电池在脉动负载时内部损耗降低，放电效率提高，放电时间延长，并能有效防止蓄电池的不正常关断。2并联结构分析超级电容器与蓄电池的并联方式一般有三种，包括直接并联，通过电感器并联，以及通过功率变换器并联[8]。本文将对这几种并联结构进行分析。2.1宜接并联结构直接并联结构的等效电路如前面图1所示。在该结构中，由于蓄电池组的端电压与超级电容器组的端电压被强制相等，因而在设计中对超级电容器的组合方式要求较为严格，应根据蓄电池的电压等级，合理配置超级电容器组的结构参数。搭建了直接并联结构的实验平台。其中，超级电容器组的参数为：200F，0.01，最高工作电压15V；蓄电池组的参数为：12Ah，0.2，额定电压12V；脉动负载的参数为：周期5s，占空比25%，脉动功率70W。由式（3）可以计算出!=3.3738，即混合电源的功率输出能力提高了3.3738倍。图4所示为混合电源在脉动负载时的响应。在负载脉动期间，蓄电池支路输出的电流峰值约占负载电流峰值的35%，其余65%则由超级电容器承担，当负载不工作时，蓄电池继续输出电流，给超级电容器充电。混合电源的电压纹波约为0.3V。随着工作的继续，蓄电池的输出电流逐渐增大，端电压也不断下降。由前面分析可知，直接并联结构能够大大减小蓄电池在脉动负载时输出的最大电流，提高系统的功率输出能力。在要求同等功率输出的情况下，直接并联结构与蓄电池单独供电相比，具有可靠性和经济性。但直接并联结构也存在着明显的缺点。首先，超级电容器组的端电压必须与蓄电池组的保持一致，导致了超级电容器组合方式的受限和容量利用率的降低；其次，混合系统的功率提图1超级电容器蓄电池并联模型的等效电路Fig.1Eguivalentcircuitofmodelofultracapacitor/batteryhybridsystem()()()()()()()bcbc1bb0bcbc11tkDTtkTNRRCRRCkItIRRetkTetkDTRRRRff-+----++==T1\\\\+l\l\++\\KJKJLJzg()()()()bcbcbc1bpeak0bc111DTDTRRCRRCTRRCReleIIRReg---++-+\\\-=-=\\+\\-KJ20051015010000.01.0功率增强回子rt/s!!D图2劝率增强因子与负载参数的关系Fig.2Powerenhancementfactorvs.loadparameters2010000.00R/W200015000.1046810功率增强回子r!/FC图3劝率增强因子与超级电容器参数的关系Fig.3Powerenhancementfactorvs.ultracapacitorparameters935研究与设计2006.11Vo!.30No.11升能力只取决于超级电容器和蓄电池的自身结构（主要是内阻），在设计上缺乏灵活性；另外，端电压随着充放电过程变化较大，例如，对于6-FM-12免维护铅酸蓄电池，在全充到全放过程中，其端电压变化范围为14.0~10.5V，影响了负载的工作性能；第四，脉动负载时蓄电池的输出电流纹波较大，并在脉仲结束时达到最大值。2.2通过电感器并联结构该结构建立在直接并联的基础之上，在蓄电池和超级电容器之间配置一个电感器。电感器的作用是对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减小内部发热和能量损耗。图5所示为采用该结构的实验结果。实验条件与前面的相同，电感值为6.5mH。与图4比较可见，在负载功率脉动时，该结构中蓄电池的输出电流更平滑，脉动性明显减弱了。蓄电池的输出电流纹波为0.75A，只占负载电流幅值的13%，蓄电池的端电压在脉动期间约有0.1V的下降。该结构对提高系统的功率输出能力、优化蓄电池的放电过程有较好的效果。但与直接并联结构类似，也存在着系统配置不灵活和端电压不可调等缺点。不过，由于电感器的滤波作用，蓄电池在负载脉动时的输出电流纹波降低了，进一步提高了蓄电池的放电效率，减小了内部能量损失，延长了放电时间。2.3通过劝率变换器并联结构蓄电池通过功率变换器（DC/DC）与超级电容器并联，结构如图6所示。由于功率变换器的变流作用，可以控制蓄电池的放电电流，提高混合电源的性能。根据系统的实际情况，功率变换器可以设计为降压式或升压式，以对蓄电池组和超级电容器组进行电压匹配。对于单向功率变换器，能量只从蓄电池流向超级电容器及负载；而对于双向功率变换器，蓄电池既可以给超级电容器及负载供电，超级电容器端还可以通过功率变换器给蓄电池充电作为蓄电池的充电器。在工作过程中，由超级电容器组向脉动负载提供瞬时功率，而蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。对功率变换器的控制目标，是使其输出电流等于脉动负载电流的平均值。在图6所示的系统控制模型中，I0为负载电流，Ic为功率变换器的输出