應用于脈沖性負載的半主動式結構復合電源設計

張國慶+田晗+高東楊+王琪+羅印升

【摘 要】蓄電池在為脈沖性負載供電時，由于其提供了瞬時大電流，會造成蓄電池壽命減小，針對這一問題，設計了一種適用于脈沖負載的半主動式結構的蓄電池-超級電容器復合電源。復合電源由超級電容器經(jīng)過DC/DC變換器后與蓄電池并聯(lián)構成，使得蓄電池和超級電容器的功率分配可控，其中由蓄電池提供平均功率，超級電容器提供峰值功率，從而達到延長蓄電池壽命的目的。在MATLAB下的仿真實驗結果表明：半主動式結構復合電源相較于單一電池與被動式結構復合電源，蓄電池的放電電流更加平滑，放電過程得以優(yōu)化，從而使得蓄電池循環(huán)放電的壽命得以延長。

【關鍵詞】蓄電池；超級電容；半主動式；復合電源

【Abstract】At the time of battery supplying power to pulse current load， it provided instantaneous large current. This would cause the life of battery reduced. In order to solve this problem， we designed a semi-active battery-ultracapacitor hybrid energy source. The battery-ultracapacitor hybrid energy source was made up of a DC/DC converter by ultracapacitor and battery in parallel form， making the battery and ultracapacitors power distribution under control. The battery provided average power and the ultracapacitor provided peak power， so as to achieve the aim of extending the life of battery. MATLAB simulation experiment results shows that the semi-active structure hybrid energy source discharge current more smoothly than passive structure hybrid energy source and single battery， so as to make the life of battery longer.

【Key words】Battery； Ultracapacitor； Semi-active； Hybrid energy source

0 引言

隨著具有脈沖性負載特性的產(chǎn)品日益增多，就要求電源具有較高的功率輸出能力[1]。所以傳統(tǒng)的蓄電池已經(jīng)不能滿足其需求。蓄電池是一種低比功率高比能量的儲能元件。由于其大電流充放電特性并不理想，作為脈沖性負載的電源時，易造成蓄電池循環(huán)使用壽命的縮短[2]。超級電容器是一種新型的儲能元件，具有儲存電荷量大，功率密度大，短時大功率充放電能力強等優(yōu)點[3]。但是其單體電壓低，能量密度低，難以單獨作為電源。所以，把蓄電池和超級電容結合起來的復合電源將是未來的發(fā)展方向。復合電源結合了兩種儲能元件的優(yōu)點：能量密度高，能量存儲高，循環(huán)壽命長等。

蓄電池-超級電容器復合電源的拓撲結構可分為三種[4]：被動式結構，半主動式結構和全主動式結構。

（1）被動式結構復合電源

被動式結構復合電源即直接將蓄電池與超級電容器并聯(lián)，超級電容器可以分擔一部分電流，避免了蓄電池大電流突放電，對蓄電池起到了一定的保護作用。但是該結構中蓄電池和超級電容器的輸出電壓必須保持一致，缺乏靈活性。

（2）半主動式結構復合電源

由于超級電容兩端的電壓變化要比電池兩端的電壓變化快，因此設計了一種DC/DC變換器與超級電容串聯(lián)后再與電池并聯(lián)組成的半主動式結構復合電源，該結構相較于被動式結構復合電源，由于超級電容器與蓄電池兩端電壓可以不一致，靈活性有所提高。而且電壓由蓄電池決定，提高了系統(tǒng)的能量的轉換率。同時，超級電容因為DC/DC變換器的作用，放電電流可以控制，可以有效減小蓄電池的放電電流，使蓄電池電流趨于平緩。

（3）全主動式結構復合電源

全主動式結構復合電源是由蓄電池和超級電容器分別經(jīng)過一個DC/DC變換器后并聯(lián)構成。全主動式結構復合電源的靈活性比半主動式結構復合電源更強，但是這種結構過于復雜，控制難度更高[5]。

通過綜合比較三種不同結構復合電源的優(yōu)缺點，本文中選取半主動式結構復合電源為研究對象。

1 半主動式結構復合電源的設計

1.2 功率分配控制策略

功率分配控制策略采用電壓電流雙閉環(huán)控制方法。電流作內環(huán)，電壓作外環(huán)。超級電容放電電流與期望放電電流相比較，得到電流的偏差值，經(jīng)PI調節(jié)后作為電壓環(huán)的參考值，并與超級電容經(jīng)過DC/DC變換后的電壓比較，所得誤差再經(jīng)PI調節(jié)，得到實際的PWM輸出，最終實現(xiàn)對超級電容和蓄電池不同的功率分配。

3 仿真分析

在MATLAB仿真環(huán)境下，分別對單一電池，被動式結構復合電源和半主動式結構復合電源進行建模和仿真。蓄電池電壓為24V，內阻為45mΩ；超級電容器12V-600F，內阻為15mΩ；DC/DC變換器中電感取50uH，電容取1000uF，開關管選用N溝道MOSFET。脈沖性負載的仿真通過MOS管控制負載是否接入電路來等效替換。當MOS管導通時，負載接入電路；MOS管未導通時，負載不接入電路。具體仿真結果如圖5-圖7所示。

圖5為單一電池電流波形圖。電流全部由蓄電池提供，電池突放電明顯。圖6為被動式結構復合電源電流波形圖。其中蓄電池大約提供1.5A電流，超級電容器大約提供4.5A電流。和單一電池相比較，被動式結構復合電源蓄電池突放電現(xiàn)象有所減緩。超級電容器提供了大部分電流。但是蓄電池電流仍不夠平緩。圖7為半主動式結構復合電源電流波形圖。其中蓄電池大約提供2A電流，超級電容器大約提供4A電流，達到了蓄電池承擔平均電流分量，而超級電容器承擔動態(tài)電流分量的目的。蓄電池放電電流平緩，避免了蓄電池使用過程中的突放電現(xiàn)象。

4 結論

（1）半主動式結構復合電源，充分發(fā)揮了蓄電池和超級電容器的優(yōu)勢，為具有脈沖性負載特性的產(chǎn)品發(fā)展提供了便利。

（2）超級電容器的功率密度大，加上DC/DC變換器的作用，半主動式復合電源系統(tǒng)的功率密度得到提高。

（3）超級電容器提供了電流的動態(tài)分量，蓄電池提供電流的平均電流分量，從而延長了蓄電池的循環(huán)使用壽命。

【參考文獻】

[1]唐西勝.超級電容器儲能應用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量管理及穩(wěn)定性研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2006：1-12.

[2]張丹丹，羅曼，陳晨，何俊佳.超級電容器-電池復合脈沖電源系統(tǒng)的試驗研究[J].中國電機工程學報，2007，27（30）：26-31.

[3]王琪，孫玉坤，陳坤華，等.半主動式結構的蓄電池-超級電容器復合電源[J].江蘇大學學報：自然科學版，2014，35（4）：428-433.

[4]Kuperman A ，Aharon I. Battery-ultracapacitor hybrids for pulsed current loads： a review [J].Renewal and Sustainable Enengy Reviews，2011，15（2）：981-992.

[5]王琪，孫玉坤，黃永紅.應用于脈沖電流負載的復合電源設計[J].浙江大學學報（工學版），2015，49（8）：1537-1543.

[責任編輯：朱麗娜]endprint