超級(jí)電容器與起動(dòng)電池并聯(lián)混合電源的研究

宋志光，陳志雪，曲寶光，陳二霞，王再紅，李二周

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

超級(jí)電容器與起動(dòng)電池并聯(lián)混合電源的研究

宋志光，陳志雪，曲寶光，陳二霞，王再紅，李二周

（風(fēng)帆有限責(zé)任公司，河北 保定 071057）

汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)起動(dòng)電池的大電流放電性能提出了更高的要求。蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合電源就具有極其優(yōu)異的大電流放電特性。本文對(duì)幾種不同型號(hào)的起動(dòng)免維護(hù)電池和超級(jí)電容器直接并聯(lián)組成的混合電源進(jìn)行了不同溫度下的大電流放電特性研究，并通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合，推導(dǎo)出需要和蓄電池并聯(lián)的超級(jí)電容器的容量匹配公式。

超級(jí)電容器；起動(dòng)電池；并聯(lián)；混合電源；大電流放電；匹配公式

0　前言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，鉛酸蓄電池不僅僅為起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)也要為其它車載用電器提供電能。渦輪增壓系統(tǒng)在汽車上的廣泛應(yīng)用，使汽車對(duì)蓄電池起動(dòng)瞬間的功率提出了更高的要求。因而設(shè)計(jì)新型鉛酸蓄電池或者采用其他方法提高蓄電池的使用壽命和放電性能成為了世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)［1-2］。

超級(jí)電容器是一種利用雙電層來(lái)進(jìn)行充放電循環(huán)的物理電源器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、可快速循環(huán)充放電、工作溫度范圍大和可靠性高等特性。超級(jí)電容以其特殊的性能而被廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車起停系統(tǒng)和新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已引起世界各國(guó)的廣泛重視［3］。

蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合電源具有極其優(yōu)異的大電流放電特性，可滿足現(xiàn)代汽車行業(yè)對(duì)起動(dòng)電池大電流放電性能的高要求［4-7］。超級(jí)電容器與蓄電池最簡(jiǎn)單的聯(lián)合應(yīng)用方式為直接并聯(lián)，具有高可靠性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在組合方式受限和容量實(shí)際利用率低等缺點(diǎn)［8］。本文中，對(duì)幾種不同型號(hào)的起動(dòng)免維護(hù)鉛酸蓄電池和超級(jí)電容器并聯(lián)組成的混合電源進(jìn)行了不同溫度下的大電流放電特性研究，并通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，推導(dǎo)出需要和起動(dòng)免維護(hù)蓄電池并聯(lián)的超級(jí)電容器的容量匹配公式。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用免維護(hù)鉛酸蓄電池的型號(hào)分別為6-QW-36（簡(jiǎn)稱 36）、6-QW-60（簡(jiǎn)稱 60）、6-QW-80（簡(jiǎn)稱 80）和6-QW-105（簡(jiǎn)稱 105）；與其并聯(lián)的超級(jí)電容器為美國(guó) 58F、250F超級(jí)電容器以及我國(guó)某公司生產(chǎn)的500F超級(jí)電容器。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程是將上述蓄電池和超級(jí)電容器兩兩直接并聯(lián)后，采用德國(guó) BTS 公司的HEV 1500-030ME型電池放電測(cè)試系統(tǒng)，分別在-30℃、-18℃、0℃、40℃和60℃條件下進(jìn)行大電流放電。放電電流根據(jù)上述蓄電池型號(hào)分別選用265 A、320 A、 380 A和512 A，放電時(shí)間均為30s，測(cè)試時(shí)間間隔為0.1s。采用美控公司的MIK-5000D 系列數(shù)據(jù)記錄儀記錄超級(jí)電容器和蓄電池的電壓。

2　結(jié)果與討論

2.1不同溫度對(duì)混合電源大電流放電電壓的影響

圖1為混合電源在-30℃條件下大電流放電電壓變化圖。其中 Normal 指未與超級(jí)電容器并聯(lián)的蓄電池；58F、250F、500F分別指混合電源中與蓄電池并聯(lián)的超級(jí)電容器的型號(hào)，下同。從圖1 可以看出：在-30℃條件下，58F超級(jí)電容器在大電流放電的前3s內(nèi)對(duì)所有電池的放電有明顯的補(bǔ)償作用；250F和500F超級(jí)電容器對(duì)電池放電電流的補(bǔ)償作用時(shí)間分別為7s和10s。汽車的一次成功起動(dòng)過(guò)程只需 1～3s，可以預(yù)計(jì)在-30℃條件下，三種超級(jí)電容器對(duì)汽車起動(dòng)能力均具有明顯的增強(qiáng)作用。

圖1　混合電源在-30℃條件下大電流放電電壓變化趨勢(shì)圖

從圖2 可看出：在-18℃低溫和所研究的放電電流條件下，58F超級(jí)電容器對(duì)容量大于80Ah電池的電壓變化影響很??；而 250F和500F超級(jí)電容器對(duì)這 4種型號(hào)電池的放電電壓都產(chǎn)生了明顯的影響。這說(shuō)明對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的起動(dòng)電流來(lái)說(shuō)，小型號(hào)超級(jí)電容器對(duì)較大容量的蓄電池的起用能力所起的增強(qiáng)作用不大，而大型號(hào)超級(jí)電容器的補(bǔ)償作用比較明顯。

圖2　混合電源在-18℃條件下大電流放電電壓變化趨勢(shì)圖

從圖3 可以看出：在0℃和所研究的放電電流條件下，58F超級(jí)電容器對(duì)容量大于60Ah電池的電壓變化影響可以忽略，對(duì)容量分別為36Ah和60Ah電池，其有效作用時(shí)間為3s；250F和500F超級(jí)電容器在5s以內(nèi)對(duì)于電池放電電流的補(bǔ)償作用非常明顯。

圖3　混合電源在0℃條件下大電流放電電壓變化趨勢(shì)圖

從圖4中可以看出，在40℃和所研究的放電電流下，58F超級(jí)電容器對(duì)本研究中所有電池放電電壓的影響都可以忽略了，而且 250F和500F超級(jí)電容器對(duì)放電電壓的影響也明顯減弱了。

圖4　混合電源在40℃條件下大電流放電電壓變化趨勢(shì)圖

從圖5中可以看出，在60℃和所研究的放電電流條件下，超級(jí)電容器對(duì)電池電壓的影響就更小了。這表明隨著溫度的升高，尤其是溫度到達(dá)高溫區(qū)間以后，電池本身的能力已經(jīng)能夠完全滿足汽車起動(dòng)的要求。所以，超級(jí)電容器對(duì)起動(dòng)電池的補(bǔ)償作用在冬天及寒冷地區(qū)能發(fā)揮更大作用，而在夏季及熱帶地區(qū)的影響作用很小。同時(shí)可以預(yù)計(jì)，在需要更大電流的情形下，超級(jí)電容器的作用將更加明顯。

圖5　混合電源在60℃條件下大電流放電電壓變化趨勢(shì)圖

蓄電池在不同溫度下大電流放電時(shí)，并聯(lián)超級(jí)電容器后的混合電源的電壓變化趨勢(shì)不同于單獨(dú)的蓄電池電壓變化。原因可能是：在低溫條件下，電池的化學(xué)反應(yīng)勢(shì)壘比較高，并聯(lián)超級(jí)電容器后，利用超級(jí)電容器良好的功率性能，為化學(xué)反應(yīng)越過(guò)相應(yīng)的勢(shì)壘，提供了緩沖的時(shí)間；隨著溫度的升高，尤其高于0℃后，化學(xué)反應(yīng)勢(shì)壘已經(jīng)不是影響化學(xué)反應(yīng)的主要因素了，因此并聯(lián)電容后對(duì)電池的補(bǔ)償作用隨著溫度升高而降低。

2.2超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)的匹配機(jī)理

2.2.1電容基本狀態(tài)

超級(jí)電容的容量一般用C來(lái)表示。C和電量Q、電容器放電電流Icc、電容的電壓U及放電時(shí)間t 存在如下關(guān)系：

理想超級(jí)電容只有一個(gè)固定的內(nèi)阻Rcc，這個(gè)內(nèi)阻不隨放電時(shí)間、放電電壓和放電電流的變化而變化。但在實(shí)際使用過(guò)程中，Rcc只是在放電開(kāi)始時(shí)約1s內(nèi)幾乎沒(méi)有變化。

2.2.2理想狀態(tài)超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)后的放電規(guī)律

在本研究中，我們采用電池和電容器并聯(lián)，然后恒流放電。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，總電流I 是一個(gè)固定值，可分為兩部分，分別是電容器電流Icc和電池電流Ibatt，即 I= Icc+Ibatt。根據(jù)公式 W=It 可得到混合電源放出的電量W。通過(guò)對(duì)電量進(jìn)行微分，再根據(jù)公式（1）～（3）得到

對(duì)于16.2V 超級(jí)電容而言，電容和電壓之間存在如下關(guān)系：

其中，a為超級(jí)電容的總?cè)萘浚?6.2V為該研究中超級(jí)電容器的上限電壓。所以

根據(jù)歐姆定律 U= Icc·Rcc，故

即混合電源在單位時(shí)間內(nèi)，容量變化和電壓變化的比值是一個(gè)定值。

2.2.3理想混合電源有效放電時(shí)間

因?yàn)槌?jí)電容在實(shí)際放電過(guò)程中，內(nèi)阻并不是不變，而是在一定時(shí)間以后，才開(kāi)始發(fā)生變化。因而當(dāng)超級(jí)電容遵從公式（11）變化時(shí)，有一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)使用過(guò)程中，需要找到這個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此由公式（4）得

在這個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間內(nèi)，超級(jí)電容器放電近似符合理想狀態(tài)。本研究中，對(duì)不同的混合電源在不同溫度下dW/dU的變化趨勢(shì)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理，發(fā)現(xiàn)dW/dU趨勢(shì)均符合圖6。從圖6中可以看出，在最開(kāi)始的很短時(shí)間內(nèi)（約1s），電容的dW/dU近似是恒定的（符合理想狀態(tài)），之后的變化趨勢(shì)近似為一條上升的直線。對(duì)于本研究中所使用超級(jí)電容，隨著放電的繼續(xù)進(jìn)行，電阻呈現(xiàn)一種近似直線的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)槌?jí)電容最開(kāi)始放電時(shí)候，只是簡(jiǎn)單地兩個(gè)極板表面上電荷在轉(zhuǎn)移，但是隨著放電的繼續(xù)進(jìn)行，極板表面的電荷已經(jīng)不能夠滿足電容繼續(xù)放電的要求，于是極板內(nèi)部的電荷就從孔洞向表面轉(zhuǎn)移。不同型號(hào)和廠家的超級(jí)電容的Rcc變化也是不同的。對(duì)于水系活性炭的雙電層電容而言，Rcc的變化為一條近似的直線，這是因?yàn)閮?nèi)部電荷從活性炭?jī)?nèi)部移動(dòng)到表面的過(guò)程可以理解為是勻速轉(zhuǎn)移的。

圖6　實(shí)際應(yīng)用中混合電源dW/dU變化圖

2.2.4實(shí)際狀態(tài)超級(jí)電容器并聯(lián)后放電規(guī)律

放電時(shí)間超過(guò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間以后，電容的內(nèi)阻不再是個(gè)定值，根據(jù)該試驗(yàn)中超級(jí)電容的特點(diǎn)，其電阻的變化近似符合直線規(guī)律，故

混合電源中超級(jí)電容器的選擇和以下幾個(gè)因素有關(guān)：混合電源大電流放電電流I；總?cè)萘康淖兓鱓；總電壓的變化 △U，超級(jí)電容的內(nèi)阻Rcc。對(duì)于16V電池系統(tǒng)，需要和電池匹配的超級(jí)電容器的大小可以根據(jù)公式（15）求出來(lái)。對(duì)不同溫度條件下混合電源dW/dU在放電時(shí)間里（其中 58F超級(jí)電容器在前3s內(nèi)，250F和500F超級(jí)電容器在前5s內(nèi)）的數(shù)據(jù)擬合后，取斜線趨勢(shì)線求 K值（見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出，隨著超級(jí)電容器容量的增加，K 值變化量減小。隨著溫度的增加，K 值變大，這是因?yàn)闇囟壬吆?，電池本身的化學(xué)反應(yīng)速率加快，超級(jí)電容器對(duì)電池的電流補(bǔ)償作用變小。

3　結(jié)論

（1）三種超級(jí)電容器隨著溫度的升高，對(duì)蓄電池放電電壓的補(bǔ)償作用逐漸減小。

（2）58F超級(jí)電容器在-30℃條件下對(duì)蓄電池電流補(bǔ)償作用很明顯，但當(dāng)溫度高于0℃后，其補(bǔ)償作用變小。

（3）超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)后的混合電源在

表1　不同配置的混合電源在不同溫度下K 值表

放電 0.6 ～1s內(nèi)符合理想狀態(tài)。

［1］尚曉麗，黃鑌，吳賢章.起停電池國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.蓄電池，2016，53（1）：45-50.

［2］王琰，張立華，吳喜攀.未來(lái)的汽車用鉛酸蓄電池［J］.蓄電池，2008（3）：130-136.

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［5］劉勇.超級(jí)電池技術(shù)研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù)，2014，38（5）：981-983.

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［7］唐西勝，齊智平.超級(jí)電容器蓄電池混合電源［J］.電源技術(shù)，2006，30（11）：933-936.

［8］李韶杰.超級(jí)電容器蓄電池混合電源的建模與性能分析［J］.蓄電池，2010（2）：67-70.

The hybrid powerstudy oFsupercapacitor andstart-stop battery in parallel

SONG Zhiguang，CHEN Zhixue，QU Baoguang，CHEN Erxia，WANG Zaihong，LI Erzhou
（Fengfan Co.，Ltd，Baoding Hebei 071057，China）

High performance oFstart-stop battery is needed to adapt to the development oFauto industry.supercapacitor / battery hybrid powersystem has excellent high-rate discharge performance.In this paper，high-rate discharge characteristics oFdifferent types oFhybrid powers oFstart-stop maintenance-free lead-acid batteries andsupercapacitors in parallel were tested and analyzed.Finally，based on combining theoretic calculation and the experimental data，the matchingFormulas oFthe batteries andsupercapacitors in parallel were obtained.

supercapacitor；start-stop battery；in parallel；hybrid power；high-rate discharge；matchingFormula

TM 912.9

B

1006-0847（2016）05-201-06

2016-07-04