超級電容與蓄電池組合電源在電動自行車上的應用

摘要：本文提出了超級電容器與蓄電池組合應用于電動自行車構成雙電源供電系統，設計了雙電源的連接方式，超級電容可通過雙向DC/DC變換器與蓄電池并聯，以使超級電容能釋放出更多的電能；給出了超級電容器與蓄電池組合的控制策略，使蓄電池在任何情況下都工作于額定功率下的最佳工作狀態，有效的保證了蓄電池免受沖擊，延長了蓄電池的使用壽命。

關鍵詞：超級電容器 蓄電池 控制策略 沖擊

1 概述

中國已成為全球最大的電動自行車生產國、消費國和出口國[1]。電動自行車作為一種節能環保、出行便捷的中短距離交通工具，深受廣大消費者歡迎，同時，電動自行車將向著多功能型及節能型的方向發展。當前，電動自行車存在的問題主要集中在：蓄電池的使用壽命和頻繁的更換上，蓄電池存充電時間長、充放電次數有限以及還有接觸不良等等問題，所以，蓄電池是影響電動自行車性能質量的關鍵部件，也是制約著電動自行車發展的關鍵問題。近年來，許多科技發達的國家都致力于研發新型的電動自行車電池[2-3]，包括高功率鎘鎳、鋅鎳、氫鎳、鋰聚合物以及燃料電池等等。氫鎳電池在日本、歐美等國應用較為廣泛；鋰離子/鋰聚合物等電池也在推廣使用。我國也有許多科研院所也在積極研發電動自行車用的新型電池，但目前95%左右的電動自行車仍采用傳統的鉛酸蓄電池。然而，由于鉛酸蓄電池的壽命比較短，在一年左右就需要更換；而且，當電動自行車處于啟動、加速、爬坡、逆風和載重運行時，電池在短時間內要提供幾十安培的電流驅動電機，鉛酸蓄電池難以達到良好的效果，而且如此大的電流會對電池造成沖擊性傷害，嚴重的影響電池續航里程和使用壽命。超級電容具有其它電池無可比擬的優點，且已成功的應用于諸多領域，如作為電子產品的后備電源、不間斷電源以及電動工具的電源等。超級電容在新能源、電動汽車和軍事三個領域的應用尤為廣泛和突出，超級電容器的出現帶來了電池的革命。本文將超級電容器與蓄電池相結合，應用于電動自行車驅動中，合理的設計了雙電源的連接方式，并且根據電動自行車電機驅動的特點，給出了控制策略，該控制策略能有效地改善電動自行車的性能，延長蓄電池的使用壽命，具有極大的市場前景。

2 超級電容

超級電容又稱為電化學電容器，是介于電池和電容器之間的一種儲能器件，既具有電容器快速充放電的特點，又具有電化學電池的儲能機理。

超級電容主要有如下特點：

①電容量大。單體超級電容器的電容量比同體積的電解電容器大2000～10000倍，可達數千法或數萬法拉。

②功率密度高。超級電容能提供瞬時大電流，在短時間內電流就可以達到幾百至幾千安培，功率密度是蓄電池的近百倍，可達1000W/kg。

③充電速度快。充電幾分鐘就可達到額定容量的95%以上。

④能量轉換效率高、充放電接受能力強。大電流充放電能量循環效率大于90%，充放電過程中能量損失小。

⑤循環使用壽命長。在正常使用條件下，循環使用次數可達十萬次以上。

⑥使用溫度范圍寬，可靠性高。在-40～65℃的溫度范圍內都能正常、安全、可靠工作。

3 超級電容與蓄電池組合

將超級電容與蓄電池合理組合，構成雙電源供電，布置在電動自行車上，共同承擔驅動電動自行車的任務。當電動自行車正常在平坦路面行使時，由蓄電池單獨供電；在啟動、爬坡、加速等需要瞬時大功率階段，超級電容器與蓄電池同時向電機供電。當電動自行車制動時，電機對外發電，超級電容儲存能量，實現能量回收利用。

由于超級電容器具有比功率大，充電速度快，使用壽命長等優點。將超級電容器與蓄電池相結合，能夠取長補短，能有效地改善現有的電池性能、延長其使用壽命。但是超級電容也具有能量密度低，串聯內阻大的缺點，若將串聯超級電容組與蓄電池組直接并聯，由于過大的內阻將使超級電容組輸出的電流過小，這樣將不能起到分流保護蓄電池的作用。因此，本文設計了一個雙向的DC/DC變換器，超級電容可通過DC/DC變換器再與蓄電池相并聯，輸出功率可隨意調整。為此，在運行時必須構建一定的控制策略，能夠在電機電流需求過大時及時啟動或擴大超級電容的輸出電流，限制蓄電池輸出過載電流，以保護蓄電池。

控制策略根據電動自行車的運行工況確定，工況可分為平地行駛，啟動、加速、爬坡、過載、剎車等幾種。

3.1 啟動、加速、爬坡和過載狀態

在這種狀態下電機有瞬時大功率的需求，應由超級電容和蓄電池共同輸出功率以驅動電機，鑒于超級電容具有短時大電流放電的特性，相比蓄電池，超級電容能夠更好地滿足這一要求，此時，可以由超級電容承擔大部分的負荷。因此，在這一階段超級電容需作為主能量源，承擔峰值功率，而蓄電池只作為輔助能量源；當峰值功率過后，超級電容退出，負荷由蓄電池承擔。

3.2 平地勻速行駛狀態

當電動自行車在平地勻速行駛的狀態下運行時，功率需求不高，此時，蓄電池輸出功率完全可以滿足電機動力性的要求。在此工況下，電機驅動的能量完全由蓄電池單獨提供，超級電容不需釋放功率。

3.3 剎車狀態

當電動自行車處于剎車狀態時，此時電機處于發電狀態，將一部分動能轉化為電能，該電能可以經雙向DC/DC變換器逆變送回超級電容。在此狀態下蓄電池與電機之間的回路被切斷，蓄電池不吸收回饋電能，這樣能避免再生電流對蓄電池造成沖擊傷害。

將超級電容作為再生制動回饋能量的儲能容器，正是利用了超級電容能夠吸收瞬時大電流的特性，也可有效提高能量的回收率。

雙電源驅動電動自行車的能量管理目標是： 采用合理的控制策略，實現兩種儲能容器的優勢互補，在確保電動自行車的動力性要求的同時，讓蓄電池時刻工作于低電流放電的最佳工作狀態；其次，更好的利用了超級電容的特點，將再生發電制動方式產生的電能回饋到超級電容器，既提高了能量的回收率又對蓄電池起到了保護作用，免受沖擊，延長其使用壽命。

電動自行車工作狀態的判別，可根據檢測電機的驅動功率來進行。當驅動功率為正值，并大于蓄電池額定功率，且△P/△t>0時，可以判斷為電動自行車處于啟動、爬坡或過載狀態，此時，應降低蓄電池控制電路PWM的占空比，用以降低蓄電池的出力；同時應增加超級電容控制電路PWM的占空比，用以增加超級電容的出力；當功率為正，且小于蓄電池額定功率時，可以判斷為電動車處于平地行駛工作狀態；當功率為負，且△P/△t<0時，電動車處于剎車狀態，超級電容充電，接受回饋能量。

4 控制電路的設計

本文以TMS320F28335為核心控制器，設計了電動自行車雙電源控制電路系統，以實現控制策略。在該方案中，超級電容和蓄電池的電壓不相等，蓄電池的電壓為48V，超級電容的電壓為36V，并通過雙向DC/DC逆變器再與蓄電池并聯。硬件電路示意圖如圖1所示：圖中功率檢測電路負責檢測雙電源輸出側功率Pc、Pb以及電機的驅動功率P。當處于啟動、爬坡和過載狀態時，DSP對雙向DC/DC變換器輸出升壓PWM波形，變換器工作在升壓模式，超級電容將儲存的能量釋放出來，于此同時，DSP對蓄電池控制電路的PWM占空比進行控制，以保證蓄電池的輸出功率在額定功率之內。當電機處于減速或剎車狀態時，DSP對雙向DC/DC變換器輸出降壓PWM波形，同時切斷蓄電池的供電回路，雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，將再生制動的能量回饋至超級電容器儲存。

圖1 硬件結構示意圖

功率檢測可采用MAX4211芯片，芯片成本低、功耗低，可形成一個高端直流功率/直流電流測量系統，系統利用精密電流檢測放大器來檢測電流，再利用片內乘法器計算出功率，該系統的連接對被測系統的接地通路不構成影響，特別適合于檢測電池供電系統的功率及電流。測量誤差低于1.5%，測量范圍4-28V，電源電壓范圍2.7-5.5V，工作電流670微安。

控制策略流程圖如圖2所示：

圖2 雙電源控制策略流程圖

本設計方案經過了MATLAM的仿真，并在實驗室制作了控制器應用于電動自行車控制試驗，超級電容選用北京集星公司的產品，額定電壓為12V，電容容值1.2F，三組電容串聯36V，蓄電池采用4個12V串聯48V，試驗用自行車為綠源自行車，試驗證明了控制策略的有效性。在本設計方案中，超級電容通過雙向DC/DC與蓄電池并聯，超級電容的端電壓沒有與蓄電池電壓相等的限制，所以工作電壓范圍更廣，超級電容能釋放出更多的能量。

5 結論

本文提出了一種超級電容器與蓄電池組合構成雙電源供電系統，應用于電動自行車供電，超級電容通過雙向DC/DC變換器與蓄電池并聯，可以使超級電容能釋放出更多的電能；討論了電動自行車的運行工況，確定了超級電容器與蓄電池的控制策略，使蓄電池在任何情況下都工作于額定功率以下的最佳工作狀態，有效的保證了蓄電池免受沖擊，能有效的延長了蓄電池的使用壽命。通過試驗證明了該設計的可行性和有效性，隨著超級電容的不斷開發和價格的下降，組合電源運用于電動自行車將具有較好的發展前景。

參考文獻：

[1]胡毅，陳軒恕，杜硯.超級電容器的應用與發展[J].電力設備，2008.9（1）.

[2]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理及應用[J].電子元件與材料，2008.27（4）.

[3]薛龍均，于洪濤.超級電容器及其在電動自行車中的應用[J]. 中國自行車，2010，8：52-54.

[4]陳立超，張昕，張欣.超級電容式混合動力電動汽車控制策略的研究[J].北京汽車，2011，2：9-14.

[5]張淼.混合動力電動汽車復合電源設計與控制策略的研究[D].蘇州：江蘇大學，2009.

[6]Holger Giese， Matthias Meyer， Robert Wagner. A Prototype for Guideline Checking and Model Transformation in Matlab/Simulink. Proc. of the 4th International Fujaba Days， 2006.