基于超級電容的復(fù)合電源設(shè)計與應(yīng)用研究

宋翌曦，趙徐成，張 磊

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基于超級電容的復(fù)合電源設(shè)計與應(yīng)用研究

宋翌曦，趙徐成，張 磊

（空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇徐州 221000）

當(dāng)負載功率脈動性變化時，蓄電池會產(chǎn)生較大的峰值輸出電流。這會對端電壓與壽命造成嚴重影響。本文結(jié)合超級電容器與蓄電池，設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)的復(fù)合電源。通過電路仿真，校正了PID控制參數(shù)，驗證了控制電路的有效性。搭建了復(fù)合電源樣機，得出了復(fù)合電源在帶功率脈動性負載時，相對蓄電池或超級電容器的應(yīng)用優(yōu)勢。

復(fù)合電源；超級電容器；脈動性負載；電路仿真；蓄電池；PID參數(shù)

采用蓄電池帶動功率脈動性負載時，要求蓄電池有較大容量與較高放電倍率，但頻繁高倍率放電嚴重影響蓄電池壽命，甚至造成其因過流放電而損壞極板[1]。超級電容器具有功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但工作時輸出端電壓會持續(xù)下降。如文獻[2]所述，將超級電容器單獨作為電源時，需使用大量超級電容器單體，并配套使用復(fù)雜的穩(wěn)壓與均壓電路。根據(jù)適配負載要求與超級電容器特點，本文將蓄電池與超級電容器組合，對二者的連接方式進行研究與優(yōu)選，設(shè)計了一種瞬時大功率輸出性能較好的復(fù)合電源，大電流放電條件下能有效減少輸出壓降，延長蓄電池使用壽命。

1 主電路設(shè)計

復(fù)合電源系統(tǒng)中超級電容器與蓄電池的連接方法主要有以下幾類：直接并聯(lián)、通過電感并聯(lián)和利用雙向DC-DC變換器并聯(lián)。前兩種方式需強制蓄電池與超級電容器電壓相等，超級電容器高功率密度優(yōu)勢無法有效體現(xiàn)[3]。蓄電池通過雙向DC-DC變換器與超級電容器并聯(lián)一般有兩種構(gòu)型：一即超級電容器直接連接負載，蓄電池通過DC-DC變換器與超級電容器并聯(lián)，雖能解決超級電容器儲能偏少的問題，但工作過程中直流母線電壓變化較大。二即如文獻[4]所述，超級電容器、蓄電池分別通過DC-DC變換器并聯(lián)至功率總線，但該設(shè)計需采用的功率器件較多、需采集的控制參數(shù)較多，且兩個DC-DC變換器處于同一控制流程，使開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差的先天弊端體現(xiàn)更為明顯。為克服上述不足，本文創(chuàng)新提出如圖1所示的復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，蓄電池直接通過直流母線接負載，單片機作為控制系統(tǒng)的核心，利用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器變比，控制超級電容器輸出功率，達到限制蓄電池輸出電流的目的。該構(gòu)型的控制環(huán)中只涉及一個DC-DC變換器，通過合理調(diào)節(jié)PID參數(shù)能保證電源較好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

圖1 復(fù)合電源原理結(jié)構(gòu)圖

研究中，為簡化分析過程，可近似將蓄電池模型簡化為理想電壓源與等效內(nèi)阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)、將超級電容器模型簡化為理想電容器。

2 控制策略

與常見的“超級電容器不控輸出、限制蓄電池輸出”控制策略不同，針對本文電源結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)新提出通過直接控制超級電容器輸出功率，從而間接限制蓄電池輸出功率的控制策略?？刂葡到y(tǒng)以單片機為控制中心，雙向DC-DC變換器為控制對象，PWM為控制手段，采用如圖2所示的電壓、電流雙環(huán)控制策略?？刂葡到y(tǒng)所要收集的參數(shù)有：雙向DC-DC變換器電感電流、超級電容器器端電壓。

圖2 電壓電流雙環(huán)控制框圖

電流環(huán)作為控制外環(huán)，通過MAX4072電流檢測芯片與外部檢測電阻采集直流母線電感電流。針對蓄電池的輸出特性以及實際應(yīng)用中的功率需求，設(shè)置一個電流分界值e=200 A。當(dāng)負載電流低于e時，僅由蓄電池輸出，且蓄電池采用恒流法為超級電容器充電；當(dāng)負載電流高于e時，超級電容器開始放電工作。通過提高DC-DC變換器輸出端電壓，使超級電容器提供增量電流cap輸出電流不高于e。電壓環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)，通過電阻采樣、限幅后送入單片機進行AD轉(zhuǎn)換，利用數(shù)字PID算法構(gòu)成電壓反饋控制。單片機雙環(huán)控制程序流程如圖3所示。

圖3 復(fù)合電源控制流程

電壓環(huán)中PID增量式由式（1）得到。

DU=p(e–e–1)+1e+D(e–2e–1+e–2)（1）

調(diào)節(jié)數(shù)字PID的是實質(zhì)就是調(diào)節(jié)p、1、D的值，以提高反饋信號質(zhì)量[5]。對于以上參數(shù)，在電路仿真中進行調(diào)整與確定。

3 電路模擬仿真

為調(diào)整復(fù)合電源控制策略中數(shù)字PID算法參數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、減少超調(diào)量，本文利用MATLAB/ Simulink搭建電路仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

Tab.1 Simulation parameter

（b）電路參數(shù)

類別數(shù)值 直流電源電壓/ V28 電感/10–8H5.4 電容/10–2F0.48 電阻/Ω0.56 占空比/%16 載波頻率/kHz15

在對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)之前，根據(jù)文獻[8]參數(shù)進行設(shè)置，得到如圖4（a）所示的電壓波形，經(jīng)多次校正PID參數(shù)后，確定p=0.6，1=0.005，D=0.015，得到如圖4（b）所示的最優(yōu)電壓波形，電源從暫態(tài)到新穩(wěn)態(tài)時間不超過0.03 s，滿足使用要求。

（a）PID參數(shù)校正前

（b）PID參數(shù)校正后

圖4 電壓波形

Fig.4 Voltage waveform

從仿真電壓波形中可知，當(dāng)負載功率脈動性變化時，復(fù)合電源輸出電壓變化幅度較小，超級電容器能及時提供增量電流cap，證明了復(fù)合電源控制系統(tǒng)的有效性。

4 電源實驗

為證明該型復(fù)合電源在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢，本文利用圖5所示器材搭建實驗平臺。

（a）182AH蓄電池

（b）超級電容器組

（c）雙向DC-DC變換器

平臺包括：實驗組，由復(fù)合電源接脈動性電阻負載；對照組一，由蓄電池接脈動性負載；對照組二，超級電容器組與雙向DC-DC變換器接脈動性負載。蓄電池模塊，包含兩塊串聯(lián)的182 Ah鉛酸蓄電池，額定輸出電壓為28 V；超級電容模塊，選擇單體2.7 V/3000 F 的超級電容器構(gòu)成超級電容器組，整體容量1800 F、額定電壓24.3 V。負載模塊由多個帶開關(guān)的電阻加熱絲并聯(lián)得到，單根電阻加熱絲功率為1.4 kW，通過開關(guān)部分電熱絲模擬負載功率的脈動性。脈動性負載模塊工況按表1（a）的負載功率需求設(shè)置。實驗過程中用數(shù)字萬用表測量負載兩端電壓大小。實驗組與兩對照組的各項實測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電源實驗數(shù)據(jù)

Tab.2 Experimental data

從表2數(shù)據(jù)可得，對照組一在負載功率較低時輸出電壓較為穩(wěn)定，但是負載功率升高后輸出電壓有所下降，特別是負載功率高于11.2 kW時，由于蓄電池放電倍率增大，負載端電壓下降至26 V左右，此時蓄電池功率密度較低的特點有所體現(xiàn)。輸出功率繼續(xù)增大時，蓄電池輸出端電壓進一步下降至25 V，已不能滿足使用要求。

對照組二的輸出端電壓在實驗開始時較為穩(wěn)定，但當(dāng)工作時間超過40 s后，超級電容器能量密度不足的缺點開始體現(xiàn)。超級電容器存儲的能量、電量與端電壓的關(guān)系如（2）、（3）兩式所示：

(3)

通過式（3）可知初始電容存儲的電量與放電電流一定時，電壓隨放電時間延長而下降，從（2）式可知電容器所儲存能量隨端電壓的下降成二次冪下降。工作時間較長，輸出電量較多時，超級電容器輸出端電壓低于DC-DC變換器最低要求，電路進入保護狀態(tài)停止工作。

從實驗組的數(shù)據(jù)中可知，該型復(fù)合電源在低、中、高負載工況下，輸出端電壓基本保持穩(wěn)定，特別是在負載功率達到16.8 kW時復(fù)合電源輸出電壓穩(wěn)定在27.4 V以上，蓄電池輸出電流不超過200 A。實驗數(shù)據(jù)說明，該型復(fù)合電源兼顧了高能量密度與高功率密度，能有效穩(wěn)定輸出電壓、延長蓄電池壽命、降低發(fā)熱量與內(nèi)部損耗。

5 結(jié)論

將蓄電池與超級電容器優(yōu)點相結(jié)合，提出了一種新型復(fù)合電源結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款峰值輸出功率在16 kW左右的復(fù)合電源系統(tǒng)。通過實驗可知，該型復(fù)合電源帶動脈動性負載時輸出電壓穩(wěn)定，具有響應(yīng)速度快、質(zhì)量體積相對較小、內(nèi)置蓄電池使用壽命長等特點。該型電源結(jié)構(gòu)對未來航空地面電源、配電所直流操作電源、鐵道系統(tǒng)應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計具有較大參考價值。

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（編輯：曾革）

Research of hybrid DC power based on super-capacitor in design and application

SONG Yixi, ZHAO Xucheng, ZHANG Lei

(Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China)

When load power is pulsating, the accumulator would provide a large output current. This can seriously impact output voltage and battery life. Combined with an accumulator and a super-capacitor, a new structure of hybrid power system was designed. Using circuit simulation, PID parameters were determined, and the validity of the control circuit was verified. A modular power supply was built, and experiments prove the hybrid power system has application advantages in driving pulsating loads compared with accumulators or super-capacitors alone.

hybrid power system; super-capacitor; pulsating load; circuit simulation; accumulator; PID parameters

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.016

TM53

A

1001-2028（2017）04-0081-04

2017-01-25

趙徐成

趙徐成（1961－），男，江蘇徐州人，教授，博士，主要研究方向為航空供電裝備與保障，E-mail: 775160943@qq.com；宋翌曦（1995－），男，四川成都人，研究生，主要研究方向為航空地面電源與開關(guān)電源技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.016.html