基于超級電容與蓄電池復合動力電源的研究

敬光紅

(成都農業科技職業學院機電分院，四川成都611130)

摘要：作為化學儲能的主要方式，蓄電池在功率密度、充電速度、能量轉換效率、壽命等方面存在著嚴重的不足，致使許多以蓄電池為主動力的新型產業存在著技術瓶頸。而超級電容作為一種新型的儲能方式，恰恰在這些方面具有優良的特性，與蓄電池形成了良好的性能互補。通過分解這兩種電池的基本性能，設計了以蓄電池為主動力系統，以超級電容器為輔助動力系統的復合電源，闡述了復合電源的拓撲結構及功率分配控制辦法。研究結果聲明：采用復合電源工作的電源設備，相比于單一蓄電池電源的情況，具有更好的動力性和可靠性，同時還具有蓄電池的保護作用，有效地提高了系統的壽命。

蓄電池從發明到今天，已有150多年的歷史。一百多年來，隨著科學技術的不斷發展，蓄電池的種類、結構、工藝得到了不斷的改進和完善。從最初的鉛酸電池，逐步發展至各種新型鉛酸電池、鋰離子電池等多種形式并存的局面。而直至今天，蓄電池在飛機、船舶、汽車、電腦、各種儀器、通信設備中仍舊占據著非常緊要的地位。

但是，蓄電池在性能方面也存在著眾多的不足之處，例如：功率密度較低、能量轉換效率不高、充電速度慢、低溫特性差、循環使用壽命短，對環境有污染等問題一直困擾著蓄電池的使用，而這些性能對蓄電池所能提供的動力特性、繼續時間特性等都存著緊要的影響，因此，研究出比能量高、比功率大、壽命長的高效電池形式是蓄電池沖破技術瓶頸的關鍵[1]。

本文以新型儲能形式———超級電容為主要沖破口，利用超級電容與蓄電池性能互補的優點，設計了以蓄電池為主、超級電容為輔的電能供給復合系統，并對系統的拓撲結構、功率控制辦法進行了研究。

1超級電容性能分解

超級電容又稱為法拉電容或黃金電容，其儲能的過程并不是利用化學反應，而是通過極化相應的電解質來進行儲能，因此具有許多傳統蓄電池所不具備的優點[2]。

其一：由于超級電容的儲能不是通過化學元素的化學反應取得，因此其儲能過程具有可逆的基本特性，這一特性使電池的反復充放電次數達到了數十萬次，從而保證了電池的壽命；

其二：超級電容的能量密度高。高耐壓的超級電容動力電池的能量密度可以達到磷酸鐵鋰離子電池的3~5倍，氫鎳電池的5~10倍，可以有效地改善蓄電池充電時間過長的不足；

其三：由于不存在電能與化學能的轉化損耗，電能利用率高達95%，同時超級電容的充放電過程幾乎不受外界溫度的變化而變化，所以容量隨溫度的衰減很小；

其四：超級電容結構簡單，控制也相對簡單，有利于提高控制的可靠性。

綜上所述，超級電容是一種短時間輸出功率高、壽命長、充放電過程快的新型電池，但是超級電容也有自身的缺點：儲電能力差、續駛里程短，因此超級電容電池一般只用在充電容易、耗能少的場合。但是，如果將超級電容和蓄電池以組合的方式一起工作，將能實現各取所長，各避其短的局面，是對電動機械電池方案的良好改進。

2復合電源系統及其結構

超級電容與鋰離子電池的組合可以有效地克服各自的缺點，發揮優點，因此具有良好的使用前景，尤其是在電動車范疇，已經成為汽車電源發展的新方向。下面以在電動車所用電池為例，來分解組合電池的工作特性及過程。

眾所周知，一輛汽車的運行過程可以分為啟動、加速、減速、停止、上坡、下坡等幾種狀態，而在這些狀態中，功率的需求變化很大。據相關資料顯示，一輛重2噸的汽車，在啟動、加速、上坡時需要的功率約為150kW，而當它以80km/h的速度運行時僅需5kW的功率就可滿足要求，峰值功率與均勻功率比相當高[1]。如果利用單純的蓄電池來驅動該汽車的話，勢必會為了達到峰值功率而加大蓄電池容量，造成極大的浪費。而如果將一組超級電容與一組蓄電池相并聯的話，蓄電池的容量設計只要滿足均勻功率即可，而峰值功率可以由超級電容來提供，同時超級電容還可以回收在下坡等狀態下的電能，提高電能的利用率。

超級電容與蓄電池之間的并聯關系利用DC-DC變換器來實現，基本結構如圖1所示。

如圖1所示，當電動車在正常行駛的情況下，由蓄電池通過DC/DC為電動機供電；而當汽車處于加速或上坡狀態時，蓄電池的能量不足以供給其電能，因此由蓄電池和超級電容共同供能；當汽車處于減速和下坡狀態時，電動機轉換為發電機模式，所萌生的能量通過功率變換器由超級電容回收，并存入蓄電池。利用以上的復合結構形式，利用超級電容和蓄電池各自的特性，就可以構造出具有高比能量和高比功率要求的電池系統，并延長整個電池包的使用壽命。

3功率變換器設計

本設計中采用蓄電池為主電池，通過功率變換器(DC/DC)與超級電容器進行并聯。DC/DC變換器設計為雙向升降壓變換器。主電路如圖2所示。主要技術指標為：DC/DC變換器：32~50V，±100A，帶有過流、過壓、過熱保護；直流母線電壓：32~50V；電池電壓：32～48V；最大充放電電流：±300A。

如圖2所示，當電容對外放電時，DC/DC變換器處于升壓狀態，電路由VQ1、VQ2、L和C2構成升壓變壓器；而制動時，電流反饋，DC/DC變換器處于降壓狀態，電路由VQ3、VQ4、L和C1構成降壓變壓器。功率變換器的存在，可以使電池包的工作狀態變得更加靈活，保證了蓄電池的恒流工作狀態和超級電容的向脈沖負載提供瞬時功率的能力，同時，DC/DC功率變換器的存在，提高了系統的功率輸出能力，優化了蓄電池的放電過程，延長了整個電池包的使用壽命。

4控制系統設計

為保證復合電池的工作特性，復合電池包的工作過程一般采用單片機為核心，CAN總線為主要通信方式的控制體系。

CAN總線主要構成的是高速通信系統，實現對電池包、電機、轉向、制動等工作過程的數據通信過程，并將電池系統及驅動系統的各項實時數據傳送至單片機中進行解決。CAN總線系統的控制器采用PHILIPS公司加工的SJA1000來完成。信號收發器采用PHILIPS公司加工的TJA1050，可以滿足系統的基本要求。

電池管理的單片機采用P89C51，采用C語言構建指令系統，詳盡控制過程簡單，可靠性好的特點。

5結論

本文研究了超級電容與蓄電池的基本性質，構建了以蓄電池為主、超級電容為輔的復合電力系統。

該系統以微解決器為控制核心，以DC/DC轉換器為功率切合點，以CAN總線為通信方式。主要系統特點為：(1)蓄電池工作在恒流狀態，滿足均勻功率的需求；而峰值功能由超級電容來提供，從而可以減輕蓄電池功率輸出壓力，提升電能利用率，延長電池壽命；(2)利用超級電容的寬溫度特性，為汽車的低溫啟動提供有利的條件；(3)利用超級電容的基本特性回收制動能量，提高續駛里程。

綜上所述，以蓄電池為主、超級電容為輔的復合電池是一種新型動力儲能裝置，具有短時高倍率電流充放電和高能量密度的優勢，有良好的將來方向。

參考文獻：

[1]張靖.超級電容蓄電池復合電源的研究與仿真[D].哈爾濱：武漢理工大學，2005：21-22.

[2]任麗紅.基于PNGV的超級電容蓄電池復合電源的研究[J].電源技術，2013(10)：691-692.

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