敬光紅

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電分院，四川成都611130)

摘要：作為化學(xué)儲能的主要方式，蓄電池在功率密度、充電速度、能量轉(zhuǎn)換效率、壽命等方面存在著嚴(yán)重的不足，致使許多以蓄電池為主動力的新型產(chǎn)業(yè)存在著技術(shù)瓶頸。而超級電容作為一種新型的儲能方式，恰恰在這些方面具有優(yōu)良的特性，與蓄電池形成了良好的性能互補。通過分析這兩種電池的基本性能，設(shè)計了以蓄電池為主動力系統(tǒng)，以超級電容器為輔助動力系統(tǒng)的復(fù)合電源，闡述了復(fù)合電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及功率分配控制方法。研究結(jié)果表明：采用復(fù)合電源工作的電源設(shè)備，相比于單一蓄電池電源的情況，具有更好的動力性和可靠性，同時還具有蓄電池的保護(hù)作用，有效地提高了系統(tǒng)的壽命。

蓄電池從發(fā)明到今天，已有150多年的歷史。一百多年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄電池的種類、結(jié)構(gòu)、工藝得到了不斷的改進(jìn)和完善。從最初的鉛酸蓄電池，逐步發(fā)展至各種新型鉛酸蓄電池、鋰電池等多種形式并存的局面。而直至今天，蓄電池在飛機(jī)、船舶、汽車、電腦、各種儀器、通信設(shè)備中依然占據(jù)著非常重要的地位。

但是，蓄電池在性能方面也存在著眾多的不足之處，例如：功率密度較低、能量轉(zhuǎn)換效率不高、充電速度慢、低溫特性差、循環(huán)使用壽命短，對環(huán)境有污染等問題一直困擾著蓄電池的使用，而這些性能對蓄電池所能提供的動力特性、持續(xù)時間特性等都存著重要的影響，因此，研究出比能量高、比功率大、壽命長的高效電池形式是蓄電池突破技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵[1]。

本文以新型儲能形式———超級電容為主要突破口，利用超級電容與蓄電池性能互補的優(yōu)勢，設(shè)計了以蓄電池為主、超級電容為輔的電能供給復(fù)合系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率控制方法進(jìn)行了研究。

1超級電容性能分析

超級電容又稱為法拉電容或黃金電容，其儲能的過程并不是利用化學(xué)反應(yīng)，而是通過極化相應(yīng)的電解質(zhì)來進(jìn)行儲能，因此具有許多傳統(tǒng)蓄電池所不具備的優(yōu)勢[2]。

其一：由于超級電容的儲能不是通過化學(xué)元素的化學(xué)反應(yīng)取得，因此其儲能過程具有可逆的基本特性，這一特性使電池的反復(fù)充放電次數(shù)達(dá)到了數(shù)十萬次，從而保證了電池的壽命；

其二：超級電容的能量密度高。高耐壓的超級電容動力電池的能量密度可以達(dá)到磷酸鐵鋰電池的3~5倍，氫鎳電池的5~10倍，可以有效地改善蓄電池充電時間過長的不足；

其三：由于不存在電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化損耗，電能利用率高達(dá)95%，同時超級電容的充放電過程幾乎不受外界溫度的變化而變化，所以容量隨溫度的衰減很小；

其四：超級電容結(jié)構(gòu)簡單，控制也相對簡單，有利于提高控制的可靠性。

綜上所述，超級電容是一種短時間輸出功率高、壽命長、充放電過程快的新型電池，但是超級電容也有自身的缺點：儲電能力差、續(xù)駛里程短，因此超級電容電池一般只用在充電容易、耗能少的場合。但是，如果將超級電容和蓄電池以組合的方式一起工作，將能實現(xiàn)各取所長，各避其短的局面，是對電動機(jī)械電池方案的良好改進(jìn)。

2復(fù)合電源系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

超級電容與鋰電池的組合可以有效地克服各自的缺點，發(fā)揮優(yōu)勢，因此具有良好的應(yīng)用前景，尤其是在電動汽車領(lǐng)域，已經(jīng)成為汽車電源發(fā)展的新方向。下面以在電動汽車所用電池為例，來分析組合電池的工作特性及過程。

眾所周知，一輛汽車的運行過程可以分為啟動、加速、減速、停止、上坡、下坡等幾種狀態(tài)，而在這些狀態(tài)中，功率的需求變化很大。據(jù)相關(guān)資料顯示，一輛重2噸的汽車，在啟動、加速、上坡時需要的功率約為150kW，而當(dāng)它以80km/h的速度運行時僅需5kW的功率就可滿足要求，峰值功率與平均功率比相當(dāng)高[1]。如果利用單純的蓄電池來驅(qū)動該汽車的話，勢必會為了達(dá)到峰值功率而加大蓄電池容量，造成極大的浪費。而如果將一組超級電容與一組蓄電池相并聯(lián)的話，蓄電池的容量設(shè)計只要滿足平均功率即可，而峰值功率可以由超級電容來提供，同時超級電容還可以回收在下坡等狀態(tài)下的電能，提高電能的利用率。

超級電容與蓄電池之間的并聯(lián)關(guān)系利用DC-DC變換器來實現(xiàn)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，當(dāng)電動汽車在正常行駛的情況下，由蓄電池通過DC/DC為電動機(jī)供電；而當(dāng)汽車處于加速或上坡狀態(tài)時，蓄電池的能量不足以供給其電能，因此由蓄電池和超級電容共同供能；當(dāng)汽車處于減速和下坡狀態(tài)時，電動機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)模式，所產(chǎn)生的能量通過功率變換器由超級電容回收，并存入蓄電池。利用以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，利用超級電容和蓄電池各自的特性，就可以構(gòu)造出具有高比能量和高比功率要求的電池系統(tǒng)，并延長整個電池組的使用壽命。

3功率變換器設(shè)計

本設(shè)計中采用蓄電池為主電池，通過功率變換器(DC/DC)與超級電容器進(jìn)行并聯(lián)。DC/DC變換器設(shè)計為雙向升降壓變換器。主電路如圖2所示。主要技術(shù)指標(biāo)為：DC/DC變換器：32~50V，±100A，帶有過流、過壓、過熱保護(hù)；直流母線電壓：32~50V；電池電壓：32～48V；最大充放電電流：±300A。

如圖2所示，當(dāng)電容對外放電時，DC/DC變換器處于升壓狀態(tài)，電路由VQ1、VQ2、L和C2構(gòu)成升壓變壓器；而制動時，電流反饋，DC/DC變換器處于降壓狀態(tài)，電路由VQ3、VQ4、L和C1構(gòu)成降壓變壓器。功率變換器的存在，可以使電池組的工作狀態(tài)變得更加靈活，保證了蓄電池的恒流工作狀態(tài)和超級電容的向脈沖負(fù)載提供瞬時功率的能力，同時，DC/DC功率變換器的存在，提高了系統(tǒng)的功率輸出能力，優(yōu)化了蓄電池的放電過程，延長了整個電池組的使用壽命。

4控制系統(tǒng)設(shè)計

為保證復(fù)合電池的工作特性，復(fù)合電池組的工作過程一般采用單片機(jī)為核心，CAN總線為主要通信方式的控制體系。

CAN總線主要構(gòu)成的是高速通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對電池組、電機(jī)、轉(zhuǎn)向、制動等工作過程的數(shù)據(jù)通信過程，并將電池系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)的各項實時數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)中進(jìn)行處理。CAN總線系統(tǒng)的控制器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000來完成。信號收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的TJA1050，可以滿足系統(tǒng)的基本要求。

電池管理的單片機(jī)采用P89C51，采用C語言構(gòu)建指令系統(tǒng)，具體控制過程簡單，可靠性好的特點。

5結(jié)論

本文研究了超級電容與蓄電池的基本性質(zhì)，構(gòu)建了以蓄電池為主、超級電容為輔的復(fù)合電力系統(tǒng)。

該系統(tǒng)以微處理器為控制核心，以DC/DC轉(zhuǎn)換器為功率切合點，以CAN總線為通信方式。主要系統(tǒng)特點為：(1)蓄電池工作在恒流狀態(tài)，滿足平均功率的需求；而峰值功能由超級電容來提供，從而可以減輕蓄電池功率輸出壓力，提升電能利用率，延長電池壽命；(2)利用超級電容的寬溫度特性，為汽車的低溫啟動提供有利的條件；(3)利用超級電容的基本特性回收制動能量，提高續(xù)駛里程。

綜上所述，以蓄電池為主、超級電容為輔的復(fù)合電池是一種新型動力儲能裝置，具有短時高倍率電流充放電和高能量密度的優(yōu)點，有良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張靖.超級電容蓄電池復(fù)合電源的研究與仿真[D].哈爾濱：武漢理工大學(xué)，2005：21-22.

[2]任麗紅.基于PNGV的超級電容蓄電池復(fù)合電源的研究[J].電源技術(shù)，2013(10)：691-692.