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(chǔ)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(dòng)力的新型產(chǎn)業(yè)存在著技術(shù)瓶頸。而超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)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(bǔ)。通過(guò)分析這兩種電池的基本性能，設(shè)計(jì)了以蓄電池為主動(dòng)力系統(tǒng)，以超級(jí)電容器為輔助動(dòng)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(dòng)力性和可靠性，同時(shí)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(lái)，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(duì)環(huán)境有污染等問(wèn)題一直困擾著蓄電池的使用，而這些性能對(duì)蓄電池所能提供的動(dòng)力特性、持續(xù)時(shí)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(zhǎng)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(chǔ)能形式———超級(jí)電容為主要突破口，利用超級(jí)電容與蓄電池性能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了以蓄電池為主、超級(jí)電容為輔的電能供給復(fù)合系統(tǒng)，并對(duì)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(jí)電容性能分析

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

其一：由于超級(jí)電容的儲(chǔ)能不是通過(guò)化學(xué)元素的化學(xué)反應(yīng)取得，因此其儲(chǔ)能過(guò)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(wàn)次，從而保證了電池的壽命；

其二：超級(jí)電容的能量密度高。高耐壓的超級(jí)電容動(dòng)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(shí)超級(jí)電容的充放電過(guò)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??；

其四：超級(jí)電容結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于提高控制的可靠性。

綜上所述，超級(jí)電容是一種短時(shí)間輸出功率高、壽命長(zhǎng)、充放電過(guò)程快的新型電池，但是超級(jí)電容也有自身的缺點(diǎn)：儲(chǔ)電能力差、續(xù)駛里程短，因此超級(jí)電容電池一般只用在充電容易、耗能少的場(chǎng)合。但是，如果將超級(jí)電容和蓄電池以組合的方式一起工作，將能實(shí)現(xiàn)各取所長(zhǎng)，各避其短的局面，是對(duì)電動(dòng)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(jí)電容與鋰電池的組合可以有效地克服各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，因此具有良好的應(yīng)用前景，尤其是在電動(dòng)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(dòng)汽車所用電池為例，來(lái)分析組合電池的工作特性及過(guò)程。

眾所周知，一輛汽車的運(yùn)行過(guò)程可以分為啟動(dòng)、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(dòng)、加速、上坡時(shí)需要的功率約為150kW，而當(dāng)它以80km/h的速度運(yùn)行時(shí)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(lái)驅(qū)動(dòng)該汽車的話，勢(shì)必會(huì)為了達(dá)到峰值功率而加大蓄電池容量，造成極大的浪費(fèi)。而如果將一組超級(jí)電容與一組蓄電池相并聯(lián)的話，蓄電池的容量設(shè)計(jì)只要滿足平均功率即可，而峰值功率可以由超級(jí)電容來(lái)提供，同時(shí)超級(jí)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(jí)電容與蓄電池之間的并聯(lián)關(guān)系利用DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，當(dāng)電動(dòng)汽車在正常行駛的情況下，由蓄電池通過(guò)DC/DC為電動(dòng)機(jī)供電；而當(dāng)汽車處于加速或上坡狀態(tài)時(shí)，蓄電池的能量不足以供給其電能，因此由蓄電池和超級(jí)電容共同供能；當(dāng)汽車處于減速和下坡狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)模式，所產(chǎn)生的能量通過(guò)功率變換器由超級(jí)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(jí)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(zhǎng)整個(gè)電池組的使用壽命。

3功率變換器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用蓄電池為主電池，通過(guò)功率變換器(DC/DC)與超級(jí)電容器進(jìn)行并聯(lián)。DC/DC變換器設(shè)計(jì)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)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(duì)外放電時(shí)，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(dòng)時(shí)，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(jí)電容的向脈沖負(fù)載提供瞬時(shí)功率的能力，同時(shí)，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(guò)程，延長(zhǎng)了整個(gè)電池組的使用壽命。

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證復(fù)合電池的工作特性，復(fù)合電池組的工作過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)電池組、電機(jī)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等工作過(guò)程的數(shù)據(jù)通信過(guò)程，并將電池系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)實(shí)時(shí)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(lái)完成。信號(hào)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(yǔ)言構(gòu)建指令系統(tǒng)，具體控制過(guò)程簡(jiǎn)單，可靠性好的特點(diǎn)。

5結(jié)論

本文研究了超級(jí)電容與蓄電池的基本性質(zhì)，構(gòu)建了以蓄電池為主、超級(jí)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(diǎn)，以CAN總線為通信方式。主要系統(tǒng)特點(diǎn)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(jí)電容來(lái)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(zhǎng)電池壽命；(2)利用超級(jí)電容的寬溫度特性，為汽車的低溫啟動(dòng)提供有利的條件；(3)利用超級(jí)電容的基本特性回收制動(dòng)能量，提高續(xù)駛里程。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]張靖.超級(jí)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(jí)電容蓄電池復(fù)合電源的研究[J].電源技術(shù)，2013(10)：691-692.