蓄電池-超級電容復合電源實驗系統(tǒng)的設計

儲開斌， 郭俊俊， 馮成濤， 王 赟

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213016)

0 引言

電動汽車、數(shù)字式移動設備和醫(yī)學移植等系統(tǒng)具有脈沖負載的特性，其特點是瞬時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［1-2］。蓄電池是一種比功率小、比能量大的儲能元件，超級電容器具有比功率大的特征，將蓄電池與超級電容復合使用，利用蓄電池比容量大，超級電容比功率大的特點，很好地滿足了脈沖負載對供電電源的要求，是目前應用較為廣泛的一種供電方式［3］。

為幫助電氣專業(yè)學生掌握電力電子技術，本文設計了一個蓄電池-超級電容復合電源實驗系統(tǒng)，作為電氣類專業(yè)的課程設計及綜合實訓項目，該項目體現(xiàn)了實驗內(nèi)容的工程性、實現(xiàn)方法的多樣性、知識結構的綜合性、實踐過程的探索性。同時，該實驗內(nèi)容還涵蓋了已學課程、拓展未學知識，實現(xiàn)跨課程知識融合，已有知識與拓展知識融合。

1 復合電源系統(tǒng)結構

蓄電池-超級電容復合電源系統(tǒng)中，蓄電池與超級電容的連接方式有:①被動式結構。該結構是將蓄電池與超級電容直接并聯(lián)使用，具有結構簡單的特點，但該結構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償效果較差［4］;②全主動式結構。該結構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，該結構靈活性強，但需采集及控制的參數(shù)較多，且兩個DC/DC變換器同步控制較難，電源響應較差［5］;③半主動式結構。該結構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DC/DC，合理設計控制參數(shù)及算法，可以滿足復合電源對脈沖負載供電時的瞬態(tài)響應要求［6］。

本實驗系統(tǒng)采用半主動式結構復合電源如圖1所示。圖中將蓄電池及超級電容均進行理想化，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 復合電源拓撲結構圖

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控制策略的設計

在蓄電池-超級電容復合電源實驗系統(tǒng)中，為滿足脈沖負載對復合電源的要求，提出了一種基于電流-電壓的雙環(huán)PID控制策略［9］，結構如圖2所示。控制原理:當負載工作于脈沖瞬時大功率輸出時，電流采樣器檢測到負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變換器能量補償規(guī)模，將超級電容的能量輸送給負載，達到補償作用;由于蓄電池自身特點及內(nèi)阻的影響，當輸出較大的瞬態(tài)峰值功率時，負載兩端電壓會大幅下降，系統(tǒng)同時將電壓取樣信號送到PID控制器模塊，輔助系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，達到對蓄電池輸出功率進行高質量補償?shù)淖饔茫?0］。在負載間隙期，雙向DC/DC通過蓄電池對超級電容進行反向充電，以補充因動態(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)變化的響應快，所以輸出也相對穩(wěn)定，補償效果較好。

圖2 PID控制結構框圖

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行合理能量補償。本文將母線電壓變化與負載電流變化相結合，兼顧蓄電池的荷電對能量進行分配，大大提高了超級電容對蓄電池能量的補償精度。

PID控制算法并不要求受控對象的精確數(shù)學模型，具有靈活性和適用性，采用雙環(huán)PID控制器，不僅增強了系統(tǒng)的抗干擾性，而且對于干擾回復迅速，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行雙環(huán)PID控制，PID控制關系式為:

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載電流變化量，利用PID外環(huán)電流控制策略，用超級電容補償大部分脈沖負載所需的瞬時能量，該控制策略具有反應速度快的特點，滿足脈沖負載的瞬時變化要求。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)超級電容對脈沖負載的能量補償，提高補償精度［11］。同時，該控制策略還弱化蓄電池的電流波動，改善蓄電池的放電狀態(tài)，延長蓄電池的放電時間，達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 復合電源的仿真與實驗

為了驗證復合電源拓撲結構及控制策略的可行性，在MATLAB仿真環(huán)境下，對圖1所示拓撲結構及圖3所示的控制策略進行仿真，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 半主動式復合電源仿真數(shù)據(jù)表

在對脈沖負載供電時，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，在脈沖負載處于間隙期時，蓄電池兩端電壓約為25 V。負載脈沖期時，蓄電池兩端電壓最低為24.4 V，電壓波動0.6 V。而超級電容在脈沖負載間隙期兩端電壓為14 V，負載脈沖期最低電壓僅為10.1 V，電壓波動為3.9 V。由此可知，由于超級電容在負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明顯減小。

圖5 復合電源的電壓

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到3.5 A，超級電容在負載脈沖期提供了大部分補充能量，使蓄電池提供的電流波動較小。

因此，從仿真結果來看，超級電容器在脈沖負載發(fā)生變化時能提供大電流能量補充，讓蓄電池只承受小部分電流，從而起到輔助電源的作用。該拓撲結構及控制策略能對脈沖負載提供合適的能量補償，滿足了脈沖負載對復合電源的要求。同時，超級電容補償了大部分的脈沖能量，使蓄電池的電流波動較小，優(yōu)化了蓄電池的負載特性，達到保護蓄電池的作用。

圖6 復合電源的電流

4 電路實驗驗證

采用電流型脈寬調(diào)制電源芯片UC3842構成Boost升壓DC/DC變換器［14-15］，電路如圖7所示。在實驗系統(tǒng)中，采用STM32單片機作為電壓、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-超級電容復合電源給脈沖負載供電時的電壓波形如圖8所示。由圖8(a)可知，在脈沖負載的作用下，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，與仿真結果一致。

圖9所示為復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，而輕載時電流幾乎為0 A，在負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，遠小于超級電容提供的能量，驗證了該拓撲結構及控制策略的可行性。

圖8 復合電源電壓波形

圖9 復合電源電流波形

5 結語

本文在分析了復合電源拓撲結構的基礎上，提出了一種基于半主動式拓撲結構及電壓-電流雙環(huán)PID控制策略的復合電源。在MATLAB環(huán)境下對該拓撲結構及控制策略進行仿真，并搭建實驗電路進行驗證。實驗結果表明，采用蓄電池和超級電容同時向脈沖負載供電，負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載電流。該方法滿足了脈沖負載對電源提出的比功率大、比能量大的特點。同時，明顯減輕蓄電池在大電流時的放電壓力，改善了蓄電池的電壓紋波，從而延長了蓄電池的放電時間，增加蓄電池的循環(huán)使用壽命，具有很好的應用前景。