...长城新400W电源评测
张国庆+田晗+高东杨+王琪+罗印升
【摘 要】蓄电池在为脉冲性负载供电时，由于其提供了瞬时大电流，会造成蓄电池寿命减小，针对这一问题，设计了一种适用于脉冲负载的半主动式结构的蓄电池-超级电容器复合电源。复合电源由超级电容器经过DC/DC变换器后与蓄电池并联构成，使得蓄电池和超级电容器的功率分配可控，其中由蓄电池提供平均功率，超级电容器提供峰值功率，从而达到延长蓄电池寿命的目的。在MATLAB下的仿真实验结果表明：半主动式结构复合电源相较于单一电池与被动式结构复合电源，蓄电池的放电电流更加平滑，放电过程得以优化，从而使得蓄电池循环放电的寿命得以延长。
【关键词】蓄电池；超级电容；半主动式；复合电源
【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
随着具有脉冲性负载特性的产品日益增多，就要求电源具有较高的功率输出能力[1]。所以传统的蓄电池已经不能满足其需求。蓄电池是一种低比功率高比能量的储能元件。由于其大电流充放电特性并不理想，作为脉冲性负载的电源时，易造成蓄电池循环使用寿命的缩短[2]。超级电容器是一种新型的储能元件，具有储存电荷量大，功率密度大，短时大功率充放电能力强等优点[3]。但是其单体电压低，能量密度低，难以单独作为电源。所以，把蓄电池和超级电容结合起来的复合电源将是未来的发展方向。复合电源结合了两种储能元件的优点：能量密度高，能量存储高，循环寿命长等。
蓄电池-超级电容器复合电源的拓扑结构可分为三种[4]：被动式结构，半主动式结构和全主动式结构。
（1）被动式结构复合电源
被动式结构复合电源即直接将蓄电池与超级电容器并联，超级电容器可以分担一部分电流，避免了蓄电池大电流突放电，对蓄电池起到了一定的保护作用。但是该结构中蓄电池和超级电容器的输出电压必须保持一致，缺乏灵活性。
（2）半主动式结构复合电源
由于超级电容两端的电压变化要比电池两端的电压变化快，因此设计了一种DC/DC变换器与超级电容串联后再与电池并联组成的半主动式结构复合电源，该结构相较于被动式结构复合电源，由于超级电容器与蓄电池两端电压可以不一致，灵活性有所提高。而且电压由蓄电池决定，提高了系统的能量的转换率。同时，超级电容因为DC/DC变换器的作用，放电电流可以控制，可以有效减小蓄电池的放电电流，使蓄电池电流趋于平缓。
（3）全主动式结构复合电源
全主动式结构复合电源是由蓄电池和超级电容器分别经过一个DC/DC变换器后并联构成。全主动式结构复合电源的灵活性比半主动式结构复合电源更强，但是这种结构过于复杂，控制难度更高[5]。
通过综合比较三种不同结构复合电源的优缺点，本文中选取半主动式结构复合电源为研究对象。
1 半主动式结构复合电源的设计
1.2 功率分配控制策略
功率分配控制策略采用电压电流双闭环控制方法。电流作内环，电压作外环。超级电容放电电流与期望放电电流相比较，得到电流的偏差值，经PI调节后作为电压环的参考值，并与超级电容经过DC/DC变换后的电压比较，所得误差再经PI调节，得到实际的PWM输出，最终实现对超级电容和蓄电池不同的功率分配。
3 仿真分析
在MATLAB仿真环境下，分别对单一电池，被动式结构复合电源和半主动式结构复合电源进行建模和仿真。蓄电池电压为24V，内阻为45mΩ；超级电容器12V-600F，内阻为15mΩ；DC/DC变换器中电感取50uH，电容取1000uF，开关管选用N沟道MOSFET。脉冲性负载的仿真通过MOS管控制负载是否接入电路来等效替换。当MOS管导通时，负载接入电路；MOS管未导通时，负载不接入电路。具体仿真结果如图5-图7所示。
图5为单一电池电流波形图。电流全部由蓄电池提供，电池突放电明显。图6为被动式结构复合电源电流波形图。其中蓄电池大约提供1.5A电流，超级电容器大约提供4.5A电流。和单一电池相比较，被动式结构复合电源蓄电池突放电现象有所减缓。超级电容器提供了大部分电流。但是蓄电池电流仍不够平缓。图7为半主动式结构复合电源电流波形图。其中蓄电池大约提供2A电流，超级电容器大约提供4A电流，达到了蓄电池承担平均电流分量，而超级电容器承担动态电流分量的目的。蓄电池放电电流平缓，避免了蓄电池使用过程中的突放电现象。
4 结论
（1）半主动式结构复合电源，充分发挥了蓄电池和超级电容器的优势，为具有脉冲性负载特性的产品发展提供了便利。
（2）超级电容器的功率密度大，加上DC/DC变换器的作用，半主动式复合电源系统的功率密度得到提高。
（3）超级电容器提供了电流的动态分量，蓄电池提供电流的平均电流分量，从而延长了蓄电池的循环使用寿命。
【参考文献】
[1]唐西胜.超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究[D].北京：中国科学院电工研究所，2006：1-12.
[2]张丹丹，罗曼，陈晨，何俊佳.超级电容器-电池复合脉冲电源系统的试验研究[J].中国电机工程学报，2007，27（30）：26-31.
[3]王琪，孫玉坤，陈坤华，等.半主动式结构的蓄电池-超级电容器复合电源[J].江苏大学学报：自然科学版，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，孙玉坤，黄永红.应用于脉冲电流负载的复合电源设计[J].浙江大学学报（工学版），2015，49（8）：1537-1543.
[责任编辑：朱丽娜]endprint
