超级电容器蓄电池混合电源

Abstract：Sound performance can be attained through ultracapacitor/battery hybrid system, which makes the best of the characteristics of high energy density of battery and high power density and long cycle life of ultracapacitor. The mathematical model of the ultracapacitor/battery hybrid system was set up. The characters of it such as peak power enhancement were studied and the correlative factors were analyzed in the paper. Three main structures including directly connection, connection via inductance and power convertor were put forward and analyzed in experiments. Experiments show that the power capacity of the hybrid system was enhanced greatly and the discharging process of the battery was optimized. practicability is also given. Key words：battery；ultracapacitor；power enhancement；inductance；power convertor The conclusion that the connection via power convertor has sound performance and
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 （ 2002 AA 516020）。 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:TANG Xi- sheng(1975一 ),male,candidate for Ph D.; tutor: Ol Zhi- ping(1958 一), female, researcher.
Study On the ultracapacitOr/battery hybrid system
TANG Xi-sheng1,2， OI Zhi-ping1
(1.Institute Of Electrical Engineering, Chinese Academy Of Science，Beijing 100080，China； 2.Graduate SchOOl Of the Chinese Academy Of Science, Beijing 100039,China)
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功 率 增 强 回 子 r
15 10 5 0 1 000
1.0
t /s
0 0.0
!!
" D
图 2 劝率增强因子与负载参数的关系 Fig.2 Power enhancement factor vs. load parameters
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。
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：200 F，0.01 "， 最高工作电压 15 V； 蓄电池组的参数 为：12 Ah，0.2 "，额定电压 12 V；脉动负载的参数为：周期 5 s， 3）可以计算出 ! =3.373 8， 占空比 25%，脉动功率 70 W。 由式 （ 即混合电源的功率输出能力提高了 3.373 8 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 0.3 V。 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
(1- D )T ( Rb + Rc )C
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。
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。
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
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源自文库
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13 12 11 10 0 13 12 11 10 0 6
U I 10 20 30 U I 10 20 30 40 40 ) 4 2 0 4 2 0
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
1 /A
U /V
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
功 率 增 强 回 子 r
8 6 4 2 0.10
+ -
Vb
C
R/ W
0.00 0
1 500 1 000 C/F !"
2 000
图 1 超级电容器蓄电池并联模型的等效电路 Fig.1 Eguivalent circuit of model of ultracapacitor/battery hybrid system
(t) = I g
1 ( k + D) T )\ \ J 2 （）
t -( k +D)T t -kT T Rb \ -( Rb +Rc )C Rb \ - ( Rb +Rc )C \ 1 e t kT 1 e f f (t ( ) l \ l \ z Rb + Rc J k =0 \K K Rb + Rc J L
T，占空比为 D，电流幅值为 I 0，即：
I 0 (t ) = I 0 z T L f ( t - kT ) - f (t - ( k + D ) T )T J （ 1） k 0 ! ( t ) 式中， 是标准阶跃函数。
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10 Rb Ib Ic Ia
图 3 劝率增强因子与超级电容器参数的关系 Fig.3 Power enhancement factor vs. ultracapacitor parameters
根据文献[1]可以得到稳态工作时蓄电池支路的电流：
I
N -1
3）可知，随着 m 的减小，混合系统的功率增强因子 由式 （ 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。
当 t =(k +D )T 时，I bss(t )达到最大值：
\ \ Re \ l 1- e 3） I bpeak = I 0 \1 （ \= T R R + b c ( Rb + Rc )C \ g \ 1- e K J 式中，! 大于 1。 由此可见，当蓄电池与超级电容器并联时，
DT ( Rb + Rc )C
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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： TM 53 文献标识码：A 文章编号：1002- 087 X(2006)11- 0933- 04
U /V
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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，I 0 为负载电流，I c 为功率变 换器的输出电流。 在一定时间内对负载电流进行积分、平均，以 此作为功率变换器的参考量，并与实际输出电流比较，产生误 差信号，经过比例积分调节器(PI)得到控制量，继而产生控制功 率变换器的脉宽调制信号(PWM)。
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，R c 为超级电容器的等效串联内阻，R b 为蓄电池的 等效串联内阻。 I c 为超级电容器支路的电流，I b 为蓄电池支路 的电流，I 0 为负载电流。 对电路施加脉动负载，设定负载电流 I 0 (t ) 的脉动周期为