超級(jí)電容器蓄電池的混合電源性能

　　隨著科技的高速發(fā)展，各種數(shù)字移動(dòng)設(shè)備、便攜式電子儀器越來(lái)越多，隨之而來(lái)的是對(duì)電源的性能提出了越來(lái)越高的要求，蓄電池由于具有技術(shù)成熟、性能可靠的特點(diǎn)被社會(huì)廣泛應(yīng)用，普遍看來(lái)這些電子設(shè)備的負(fù)載都具有脈動(dòng)性的特點(diǎn)，峰值功率很高但平均功率較低。但由于蓄電池功率密度小、無(wú)法快速充放電且循環(huán)壽命短，因此蓄電池必須要有很大的容量才能夠滿足峰值功率的需求，這樣就造成了蓄電池容量的浪費(fèi)和造成電池體積過(guò)于龐大帶來(lái)的諸多不便。

　　【摘要】超級(jí)電容器與蓄電池的混合使用，不僅可以充分發(fā)揮蓄電池能量大和超級(jí)電容器循環(huán)壽命長(zhǎng)、充發(fā)放電快速的優(yōu)點(diǎn)，而且可以顯著降低電源內(nèi)部的消耗，提高了電池的使用壽命，大大提升了混合電源的性能。本文通過(guò)建立超級(jí)電容器蓄電池混合電源的數(shù)學(xué)模型，定量地分析了影響混合電源性能的因素以及對(duì)性能方面的改善措施。分析結(jié)果表明，脈動(dòng)負(fù)載的周期、蓄電池的內(nèi)阻、超級(jí)電容器的內(nèi)阻、脈動(dòng)負(fù)載的所占比以及超級(jí)電容器的容量和超級(jí)電容器的并聯(lián)支路數(shù)都是影響超級(jí)電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗和使用壽命的原因。

　　【關(guān)鍵詞】超級(jí)電容器,蓄電池,混合電源

　　1引言

　　超級(jí)電容器是儲(chǔ)能器件在功率與能量上的結(jié)合，具有功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量高、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)。如果將超級(jí)電容器與蓄電池混合使用，無(wú)疑會(huì)使電能儲(chǔ)能裝置的性能得到大大提高。一些參考文獻(xiàn)中指出，將超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)使用，可以使混合電源的負(fù)載適應(yīng)能力尤其對(duì)大功率脈動(dòng)的負(fù)載有較大的提高，一方面可以有效降低蓄電池的內(nèi)部消耗、增加使用壽命，另一方面還可以減小電源的體積，改善了其經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

　　本文通過(guò)建立超級(jí)電容器蓄電池混合電源的數(shù)學(xué)模型，分析了超級(jí)電容器對(duì)蓄電池峰值功率改善的作用及影響因素，并通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

　　2模型分析

　　超級(jí)電容器蓄電池混合電源是將超級(jí)電容器和蓄電池并聯(lián)起來(lái)作為脈動(dòng)負(fù)載的電源。研究者為了使分析過(guò)程簡(jiǎn)化，可以將蓄電池的模型簡(jiǎn)化為理想電壓源與等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于該模型主要考慮的是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，所以可以不考慮并聯(lián)內(nèi)阻。在高頻情況下由于存在分布電感，所以此模型的分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。但由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)超級(jí)電感器蓄電池混合電源的工作周期一般為毫秒至秒級(jí)，所以該模型是可行的。若將該模型進(jìn)行拉氏變換，并利用戴維寧定理簡(jiǎn)化可得到另一種更加簡(jiǎn)單的等效電路。

　　3內(nèi)部損耗分析

　　超級(jí)電容器蓄電池混合電源應(yīng)用于脈動(dòng)負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流的大部分由內(nèi)阻很小的超級(jí)電容器支路承擔(dān)，因此使得超級(jí)電容器與蓄電池混合電源中蓄電池的內(nèi)部損耗降低了，蓄電池的發(fā)熱量也大大減小，有效地延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

　　經(jīng)過(guò)整合分析結(jié)果，得出第一、當(dāng)負(fù)載占空比越小、周期越小時(shí)、功率節(jié)約因子越大，超級(jí)電容起蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗就越��；第二、超級(jí)電容器及蓄電池的等效串聯(lián)內(nèi)阻對(duì)功率節(jié)約因子的影響是：超級(jí)電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻越小，功率節(jié)約因子越大：蓄電池的等效內(nèi)阻越大，功率節(jié)約因子越大，超級(jí)電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗就越小。第三、功率節(jié)約因子與超級(jí)電容器的電容量及等效串聯(lián)電阻的關(guān)系：當(dāng)超級(jí)電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻越小時(shí)，電容量越大，功率節(jié)約因子越大，超級(jí)電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部損耗越小。當(dāng)電容量達(dá)到一定值時(shí)，功率節(jié)約因子會(huì)隨著電容量的變化趨于平穩(wěn)。第四、功率節(jié)約因子與超級(jí)電容器并聯(lián)支路數(shù)的關(guān)系：當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)增加時(shí)，功率節(jié)約因子會(huì)隨之增大，但是在并聯(lián)支路數(shù)增大到一定程度時(shí)，功率比例因子的變化將趨于平穩(wěn)。

　　4運(yùn)動(dòng)時(shí)間分析

　　利用超級(jí)電容器蓄電池混合電源驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)負(fù)載，由于蓄電池的內(nèi)部損耗降低了，因此延長(zhǎng)了蓄電池的運(yùn)行時(shí)間。使得超級(jí)電容器蓄電池混合電源與蓄電池單獨(dú)供電相比，節(jié)約了許多能量。并且混合電源與蓄電池單獨(dú)應(yīng)用相比，其運(yùn)行時(shí)間得到了延長(zhǎng)。時(shí)間延長(zhǎng)率與三個(gè)因素有關(guān)，其中包括了功率節(jié)約因子，脈動(dòng)負(fù)載占空比以及負(fù)載電流率�；�于以上分析結(jié)果，研究人員對(duì)超級(jí)電容器蓄電池混合電源的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了仿真。

　　整合分析后得出了超級(jí)電容起蓄電池混合電源的時(shí)間延長(zhǎng)率與負(fù)載參數(shù)的的關(guān)系。第一、脈動(dòng)負(fù)載的頻率越高，時(shí)間延長(zhǎng)率就越大。第二，時(shí)間延長(zhǎng)率還與脈動(dòng)負(fù)載的占空比有關(guān)，占空比過(guò)小或過(guò)大時(shí)，時(shí)間延長(zhǎng)率變小，并趨于零。一般情況下，時(shí)間延長(zhǎng)率的最大值應(yīng)在占空比變化范圍內(nèi)，即在零至一的某個(gè)點(diǎn)變化，具體的要依附于頻率和負(fù)載電流率來(lái)決定。第三、隨著并聯(lián)支路的增加，超級(jí)電容器蓄電池混合電源的時(shí)間延長(zhǎng)率變大了，當(dāng)并聯(lián)支路增加到一定值時(shí)，時(shí)間延長(zhǎng)率的變化又將趨于平穩(wěn)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超級(jí)電容器蓄電池混合電源在驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)負(fù)載時(shí)，大部分的負(fù)載電流有超級(jí)電容器的支路分擔(dān)。由于超級(jí)電容器的功率密度大，電流輸出能力強(qiáng)。使得混合電源的峰值輸出功率明顯比單獨(dú)使用蓄電池有顯著提高。當(dāng)脈動(dòng)負(fù)載停止工作后，蓄電池組繼續(xù)輸出電流，給超級(jí)電容器組充電。

　　由上述分析可知，超級(jí)電容起蓄電池混合電源不僅降低了蓄電池的輸出電流峰值，而且抑制了端電壓的跌落，其作用相當(dāng)于使蓄電池的等效源阻抗降低了，提高了蓄電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，是電源在驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)負(fù)載使得內(nèi)部損耗降低，放電效率得到提高，放電時(shí)間得以延長(zhǎng)。

　　5總結(jié)

　　本文建立了超級(jí)電容器蓄電池并聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)負(fù)載為脈動(dòng)的情況對(duì)混合電源在峰值功率的提升等方面進(jìn)行了分析，并對(duì)幾種主要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：第一、超級(jí)電容起蓄電池混合電源在工作時(shí)，超級(jí)電容器和蓄電池同時(shí)向負(fù)載提供電流，且負(fù)載電流主要由超級(jí)電容器提供。在負(fù)載停止工作期間，蓄電池對(duì)超級(jí)電容器充電。第二、超級(jí)電容起蓄電池混合電源的峰值輸出功率與脈動(dòng)負(fù)載的周期、占空比、蓄電池內(nèi)阻、超級(jí)電容器內(nèi)阻、超級(jí)電容器的容量和并聯(lián)支路數(shù)有著密切的聯(lián)系。第三、采用超級(jí)電容器可以補(bǔ)償蓄電池的電流，使得本來(lái)應(yīng)與負(fù)載電流相等的蓄電池輸出電流得以下降，緩解了蓄電池輸出電流過(guò)大的壓力。第四、超級(jí)電容器蓄電池混合電源十分適宜用于功率很高但平均功率較低的脈動(dòng)功率負(fù)載。

　　在實(shí)際應(yīng)用中我們要有效的利用超級(jí)電容器蓄電池混合電源的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)功率變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)配置具有很大的靈活性，從而更好地有優(yōu)化蓄電池的工作。并且由于功率增強(qiáng)能力與混合電源自身的參數(shù)和負(fù)載參數(shù)有關(guān)，所以在實(shí)際的應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況合理的配置超級(jí)電容器組的結(jié)構(gòu)，在滿足系統(tǒng)要求的情況下實(shí)現(xiàn)混合電源的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

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