超級電容器—電池復(fù)合電源系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析

【摘 要】本文將高功率密度的超級電容器結(jié)合高能量密度的電池，使超級電容器在充電的整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)“均分”電壓功能，充分發(fā)揮了超級電容器和電池的高功率密度與高能量密度組合的優(yōu)勢；選用雙向升降壓DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電池在低于或高于超級電容器電壓時(shí)確保電池的充放電正常；雙向DC/DC變換器使超級電容器與電池的功率在系統(tǒng)對外充放電時(shí)處于最佳狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】超級電容器 電池 雙向DC/DC變換器 復(fù)合電源

超級電容器是一種新型電荷儲(chǔ)能元件，是基于電容器儲(chǔ)能的原理實(shí)現(xiàn)超級電容器的充放電過程，它具有良好的低溫特性和高倍率充放電性能。-40℃時(shí)超級電容器的電特性與常溫時(shí)基本一致，保證了低溫狀態(tài)下的優(yōu)異性能。超級電容器與蓄電池構(gòu)成的復(fù)合電源系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)的短時(shí)功率高倍率輸出，也能保持持久的動(dòng)力性能。選用雙向升降壓DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)電池在低于或高于超級電容器電壓時(shí)確保電池的充放電正常；雙向DC/DC變換器使超級電容器與電池的功率在系統(tǒng)對外充放電時(shí)處于最佳狀態(tài)。

一、超級電容器接直流母線

通過DC/DC變換器將蓄電池與超級電容器（直流母線）相連。此電路的優(yōu)點(diǎn)是：直流母線上的大部分高倍率充放電電流直接流入/流出超級電容器。DC/DC變換器僅僅控制很小的蓄電池充放電電流。所以DC/DC變換器的容量就能大大減小，有益于降低成本，提高可靠性。另外，因超級電容器能夠吸收直流母線上的短時(shí)高倍率充放電電流，同時(shí)也對DC/DC變換器快速型的要求大大降低，降低了DC/DC變換器性能指標(biāo)的要求，降低研究風(fēng)險(xiǎn)。

超級電容器與直流母線連接復(fù)合電源示意圖如圖3。

圖3 超級電容器與直流母線連接復(fù)合電源

二、雙向升降壓型變換電路

由于超級電容器的電壓可能高于或者低于蓄電池電壓，DC/DC變換器應(yīng)該是升/降壓型變換器，又因蓄電池需要充放電，所以DC/DC變換器應(yīng)該是雙向變換器電路如圖4。

圖4 雙向可升降壓變換器電路拓?fù)?/p>

控制方式采用電流型控制方式，以確保流入/流出蓄電池的電流基本上為恒流值。當(dāng)輸出電壓小于輸入電壓時(shí)，選用降壓型變換器控制；輸出電壓大于輸入電壓時(shí)，采用升壓型控制；輸出電壓接近輸入電壓時(shí)采用反激式變換器的控制方案。

本實(shí)驗(yàn)的直流母線的電流為50A，蓄電池的電流為10A，變換器的電流也為10A， DC/DC變換器額定電流為20A。

（一）系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

直流母線電壓：252～410V；電池電壓：252～400V；

最大充放電電流：±50A；最終成果：±150A

DC/DC變換器：250～400V，±20A，帶有過電壓、過電流、過熱保護(hù)；最終成果：±50A，帶有過電流、過電壓、過熱保護(hù)。

超級電容器組：44F/400V（160只3500F/2.5V超級電容器串聯(lián)）。

蓄電池組：按實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)置。

（二）測試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如下：復(fù)合電源直流母線放電電流50A（峰值）；放電周期3.75s，脈沖寬度0.75s，間歇3s；蓄電池放電電流10A（持續(xù)）。

復(fù)合電源直流母線電流波形如圖7，DC/DC變換器蓄電池側(cè)電流波形如圖8，直流母線電壓波形如圖9。

圖7 直流母線電流波形

圖8 DC/DC變換器蓄電池側(cè)電流波形

圖9 直流母線電壓波形

從上述測試結(jié)果可以看到，當(dāng)復(fù)合電源以占空比0.2條件下放電時(shí)，復(fù)合電源能立即響應(yīng)直流母線的負(fù)載變化，此時(shí)蓄電池則持續(xù)放電，電流為復(fù)合電源輸出電流峰值的1/5。

在復(fù)合電源放電時(shí)，直流母線電壓隨放復(fù)合電源輸出電壓上升。在這種循環(huán)充放電狀態(tài)下，雖然直流母線電壓稍有變化，但復(fù)合電源的電壓范圍上下極限（352V～410V）遠(yuǎn)大于其直流母線電壓，所以此系統(tǒng)完全可以滿足性能需求。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳永真，寧武，孟麗囡，單管變換器及其應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年4月

[3]王志功，集成電路設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2009年06月.

作者簡介：

孫娜，女（1986.1-），籍貫 漢族，本科，助教，研究方向：自動(dòng)化