應(yīng)用于脈沖性負(fù)載的半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源設(shè)計(jì)

張國(guó)慶+田晗+高東楊+王琪+羅印升

【摘 要】蓄電池在為脈沖性負(fù)載供電時(shí)，由于其提供了瞬時(shí)大電流，會(huì)造成蓄電池壽命減小，針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適用于脈沖負(fù)載的半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)的蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源。復(fù)合電源由超級(jí)電容器經(jīng)過(guò)DC/DC變換器后與蓄電池并聯(lián)構(gòu)成，使得蓄電池和超級(jí)電容器的功率分配可控，其中由蓄電池提供平均功率，超級(jí)電容器提供峰值功率，從而達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池壽命的目的。在MATLAB下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源相較于單一電池與被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源，蓄電池的放電電流更加平滑，放電過(guò)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(zhǎng)。

【關(guān)鍵詞】蓄電池；超級(jí)電容；半主動(dòng)式；復(fù)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(fù)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(chǔ)能元件。由于其大電流充放電特性并不理想，作為脈沖性負(fù)載的電源時(shí)，易造成蓄電池循環(huán)使用壽命的縮短[2]。超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能元件，具有儲(chǔ)存電荷量大，功率密度大，短時(shí)大功率充放電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是其單體電壓低，能量密度低，難以單獨(dú)作為電源。所以，把蓄電池和超級(jí)電容結(jié)合起來(lái)的復(fù)合電源將是未來(lái)的發(fā)展方向。復(fù)合電源結(jié)合了兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高，能量存儲(chǔ)高，循環(huán)壽命長(zhǎng)等。

蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為三種[4]：被動(dòng)式結(jié)構(gòu)，半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)和全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

（1）被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源

被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源即直接將蓄電池與超級(jí)電容器并聯(lián)，超級(jí)電容器可以分擔(dān)一部分電流，避免了蓄電池大電流突放電，對(duì)蓄電池起到了一定的保護(hù)作用。但是該結(jié)構(gòu)中蓄電池和超級(jí)電容器的輸出電壓必須保持一致，缺乏靈活性。

（2）半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源

由于超級(jí)電容兩端的電壓變化要比電池兩端的電壓變化快，因此設(shè)計(jì)了一種DC/DC變換器與超級(jí)電容串聯(lián)后再與電池并聯(lián)組成的半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源，該結(jié)構(gòu)相較于被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源，由于超級(jí)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(zhuǎn)換率。同時(shí)，超級(jí)電容因?yàn)镈C/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(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源

全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源是由蓄電池和超級(jí)電容器分別經(jīng)過(guò)一個(gè)DC/DC變換器后并聯(lián)構(gòu)成。全主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的靈活性比半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源更強(qiáng)，但是這種結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，控制難度更高[5]。

通過(guò)綜合比較三種不同結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的優(yōu)缺點(diǎn)，本文中選取半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源為研究對(duì)象。

1 半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源的設(shè)計(jì)

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(nèi)環(huán)，電壓作外環(huán)。超級(jí)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(diào)節(jié)后作為電壓環(huán)的參考值，并與超級(jí)電容經(jīng)過(guò)DC/DC變換后的電壓比較，所得誤差再經(jīng)PI調(diào)節(jié)，得到實(shí)際的PWM輸出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)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(duì)單一電池，被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源和半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源進(jìn)行建模和仿真。蓄電池電壓為24V，內(nèi)阻為45mΩ；超級(jí)電容器12V-600F，內(nèi)阻為15mΩ；DC/DC變換器中電感取50uH，電容取1000uF，開(kāi)關(guān)管選用N溝道MOSFET。脈沖性負(fù)載的仿真通過(guò)MOS管控制負(fù)載是否接入電路來(lái)等效替換。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載接入電路；MOS管未導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載不接入電路。具體仿真結(jié)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(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源電流波形圖。其中蓄電池大約提供1.5A電流，超級(jí)電容器大約提供4.5A電流。和單一電池相比較，被動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源蓄電池突放電現(xiàn)象有所減緩。超級(jí)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(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源電流波形圖。其中蓄電池大約提供2A電流，超級(jí)電容器大約提供4A電流，達(dá)到了蓄電池承擔(dān)平均電流分量，而超級(jí)電容器承擔(dān)動(dòng)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(guò)程中的突放電現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)合電源，充分發(fā)揮了蓄電池和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，為具有脈沖性負(fù)載特性的產(chǎn)品發(fā)展提供了便利。

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

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

【參考文獻(xiàn)】

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[2]張丹丹，羅曼，陳晨，何俊佳.超級(jí)電容器-電池復(fù)合脈沖電源系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（30）：26-31.

[3]王琪，孫玉坤，陳坤華，等.半主動(dòng)式結(jié)構(gòu)的蓄電池-超級(jí)電容器復(fù)合電源[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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(yīng)用于脈沖電流負(fù)載的復(fù)合電源設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，49（8）：1537-1543.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint