蓄電池-超級電容復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

儲(chǔ)開斌， 郭俊俊， 馮成濤， 王 赟

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213016)

0 引言

電動(dòng)汽車、數(shù)字式移動(dòng)設(shè)備和醫(yī)學(xué)移植等系統(tǒng)具有脈沖負(fù)載的特性，其特點(diǎn)是瞬時(shí)的脈沖功率較高而平均功率較低，通常要求供電電源具有比能量高及比功率大的特點(diǎn)［1-2］。蓄電池是一種比功率小、比能量大的儲(chǔ)能元件，超級電容器具有比功率大的特征，將蓄電池與超級電容復(fù)合使用，利用蓄電池比容量大，超級電容比功率大的特點(diǎn)，很好地滿足了脈沖負(fù)載對供電電源的要求，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種供電方式［3］。

為幫助電氣專業(yè)學(xué)生掌握電力電子技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)蓄電池-超級電容復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為電氣類專業(yè)的課程設(shè)計(jì)及綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程性、實(shí)現(xiàn)方法的多樣性、知識(shí)結(jié)構(gòu)的綜合性、實(shí)踐過程的探索性。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還涵蓋了已學(xué)課程、拓展未學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)跨課程知識(shí)融合，已有知識(shí)與拓展知識(shí)融合。

1 復(fù)合電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蓄電池-超級電容復(fù)合電源系統(tǒng)中，蓄電池與超級電容的連接方式有:①被動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將蓄電池與超級電容直接并聯(lián)使用，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，但該結(jié)構(gòu)需蓄電池電壓與超級電容電壓相等，且超級電容對蓄電池的能量補(bǔ)償效果較差［4］;②全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將超級電容及蓄電池均通過DC/DC變換后與供電母線相連，該結(jié)構(gòu)靈活性強(qiáng)，但需采集及控制的參數(shù)較多，且兩個(gè)DC/DC變換器同步控制較難，電源響應(yīng)較差［5］;③半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將蓄電池直接與供電母線相連，超級電容經(jīng)DC/DC變換后接到母線中，該方法只要調(diào)節(jié)單個(gè)DC/DC，合理設(shè)計(jì)控制參數(shù)及算法，可以滿足復(fù)合電源對脈沖負(fù)載供電時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)要求［6］。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源如圖1所示。圖中將蓄電池及超級電容均進(jìn)行理想化，分別由理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)等效［7-8］。圖中:E表示為蓄電池;UC表示為超級電容;R1表示蓄電池內(nèi)阻;R2表示超級電容的內(nèi)阻。

圖1 復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 基于電流-電壓的雙環(huán)PID能量控制策略

2.1 電流-電壓雙環(huán)PID控制策略的設(shè)計(jì)

在蓄電池-超級電容復(fù)合電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，為滿足脈沖負(fù)載對復(fù)合電源的要求，提出了一種基于電流-電壓的雙環(huán)PID控制策略［9］，結(jié)構(gòu)如圖2所示。控制原理:當(dāng)負(fù)載工作于脈沖瞬時(shí)大功率輸出時(shí)，電流采樣器檢測到負(fù)載電流的大幅變化并送到PID控制器，PID控制器通過控制雙向DC/DC變換器能量補(bǔ)償規(guī)模，將超級電容的能量輸送給負(fù)載，達(dá)到補(bǔ)償作用;由于蓄電池自身特點(diǎn)及內(nèi)阻的影響，當(dāng)輸出較大的瞬態(tài)峰值功率時(shí)，負(fù)載兩端電壓會(huì)大幅下降，系統(tǒng)同時(shí)將電壓取樣信號送到PID控制器模塊，輔助系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到對蓄電池輸出功率進(jìn)行高質(zhì)量補(bǔ)償?shù)淖饔茫?0］。在負(fù)載間隙期，雙向DC/DC通過蓄電池對超級電容進(jìn)行反向充電，以補(bǔ)充因動(dòng)態(tài)功率輸出而造成的能量損失。由于該控制策略的增益帶寬大，電流電壓調(diào)整率高，對輸出電流電壓瞬態(tài)變化的響應(yīng)快，所以輸出也相對穩(wěn)定，補(bǔ)償效果較好。

圖2 PID控制結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基于電流-電壓的雙環(huán)PID算法能量分配策略

蓄電池在不同的荷電下，母線電壓并不相同，因此，簡單地依賴電壓變化無法進(jìn)行合理能量補(bǔ)償。本文將母線電壓變化與負(fù)載電流變化相結(jié)合，兼顧蓄電池的荷電對能量進(jìn)行分配，大大提高了超級電容對蓄電池能量的補(bǔ)償精度。

PID控制算法并不要求受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有靈活性和適用性，采用雙環(huán)PID控制器，不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，而且對于干擾回復(fù)迅速，提高了系統(tǒng)的魯棒性。電流-電壓雙環(huán)PID控制策略如圖3所示。電壓作為內(nèi)環(huán)控制，電流為外環(huán)控制，分別以電流和電壓作為反饋量進(jìn)行雙環(huán)PID控制，PID控制關(guān)系式為:

圖3 電流-電壓雙環(huán)PID控制策略

電流環(huán)作為PID控制外環(huán)，通過電流傳感器采集母線中的負(fù)載電流變化量，利用PID外環(huán)電流控制策略，用超級電容補(bǔ)償大部分脈沖負(fù)載所需的瞬時(shí)能量，該控制策略具有反應(yīng)速度快的特點(diǎn)，滿足脈沖負(fù)載的瞬時(shí)變化要求。電壓環(huán)作為PID控制內(nèi)環(huán)，通過電壓采樣電路采集負(fù)載兩端電壓變化量，利用PID內(nèi)環(huán)電壓控制策略輔助調(diào)節(jié)超級電容對脈沖負(fù)載的能量補(bǔ)償，提高補(bǔ)償精度［11］。同時(shí)，該控制策略還弱化蓄電池的電流波動(dòng)，改善蓄電池的放電狀態(tài)，延長蓄電池的放電時(shí)間，達(dá)到提高蓄電池壽命的作用。

電流-電壓雙環(huán)PID控制策略的程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序控制流程圖

3 復(fù)合電源的仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的可行性，在MATLAB仿真環(huán)境下，對圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及圖3所示的控制策略進(jìn)行仿真，觀察蓄電池及超級電容的電壓與電流波形［12-13］。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 半主動(dòng)式復(fù)合電源仿真數(shù)據(jù)表

在對脈沖負(fù)載供電時(shí)，蓄電池及超級電容兩端電壓波形如圖5所示。由圖5可以觀察到，在脈沖負(fù)載處于間隙期時(shí)，蓄電池兩端電壓約為25 V。負(fù)載脈沖期時(shí)，蓄電池兩端電壓最低為24.4 V，電壓波動(dòng)0.6 V。而超級電容在脈沖負(fù)載間隙期兩端電壓為14 V，負(fù)載脈沖期最低電壓僅為10.1 V，電壓波動(dòng)為3.9 V。由此可知，由于超級電容在負(fù)載脈沖期提供了大部分的脈沖能量，使蓄電池兩端電壓波動(dòng)明顯減小。

圖5 復(fù)合電源的電壓

圖6所示為蓄電池與超級電容中的電流波形。由圖6可知，去除0～0.005 s的不穩(wěn)定期，蓄電池最大輸出電流僅為0.7 A，而超級電容提供的最大脈沖電流幅度達(dá)到3.5 A，超級電容在負(fù)載脈沖期提供了大部分補(bǔ)充能量，使蓄電池提供的電流波動(dòng)較小。

因此，從仿真結(jié)果來看，超級電容器在脈沖負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能提供大電流能量補(bǔ)充，讓蓄電池只承受小部分電流，從而起到輔助電源的作用。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略能對脈沖負(fù)載提供合適的能量補(bǔ)償，滿足了脈沖負(fù)載對復(fù)合電源的要求。同時(shí)，超級電容補(bǔ)償了大部分的脈沖能量，使蓄電池的電流波動(dòng)較小，優(yōu)化了蓄電池的負(fù)載特性，達(dá)到保護(hù)蓄電池的作用。

圖6 復(fù)合電源的電流

4 電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用電流型脈寬調(diào)制電源芯片UC3842構(gòu)成Boost升壓DC/DC變換器［14-15］，電路如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用STM32單片機(jī)作為電壓、電流的采樣及PID控制器，蓄電池由2只12 V—20 A·h的單體鉛酸電池串聯(lián)而成，額定輸出電壓為24 V。超級電容由5只2.7 V—650 F的單體電容串聯(lián)而成，其額定電壓為13.5 V。

圖7 DC/DC變換器電路

蓄電池-超級電容復(fù)合電源給脈沖負(fù)載供電時(shí)的電壓波形如圖8所示。由圖8(a)可知，在脈沖負(fù)載的作用下，超級電容電壓最低為9 V，較輕載電壓12.1 V下降了3.1 V;由圖8(b)可知，蓄電池電壓最小為24.4 V，較輕載電壓24.9 V 下降 0.5 V。蓄電池電壓在負(fù)載脈沖變化過程中，電壓變化較小，而超級電容電壓變化較大，與仿真結(jié)果一致。

圖9所示為復(fù)合電源中蓄電池及超級電容的電流波形。由圖9(a)可知，超級電容電流最大值為3.5 A，而輕載時(shí)電流幾乎為0 A，在負(fù)載脈沖期提供了較大的能量。由圖9(b)可知，蓄電池電流最大值僅為0.8 A，遠(yuǎn)小于超級電容提供的能量，驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的可行性。

圖8 復(fù)合電源電壓波形

圖9 復(fù)合電源電流波形

5 結(jié)語

本文在分析了復(fù)合電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于半主動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電壓-電流雙環(huán)PID控制策略的復(fù)合電源。在MATLAB環(huán)境下對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行仿真，并搭建實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用蓄電池和超級電容同時(shí)向脈沖負(fù)載供電，負(fù)載大部分脈沖電流由超級電容提供，蓄電池只需要提供較小的負(fù)載電流。該方法滿足了脈沖負(fù)載對電源提出的比功率大、比能量大的特點(diǎn)。同時(shí)，明顯減輕蓄電池在大電流時(shí)的放電壓力，改善了蓄電池的電壓紋波，從而延長了蓄電池的放電時(shí)間，增加蓄電池的循環(huán)使用壽命，具有很好的應(yīng)用前景。