超级电容器与蓄电池并联混合电源放电特性

2014-07-07葛智元周立新赵巍王克俭王毅刘帅高庆

电源技术 2014年5期

关键词：电容器并联蓄电池

葛智元，周立新，赵巍，王克俭，王毅，刘帅，高庆

（1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384；2.天津蓝天电源公司，天津 300384；3.海军装备部，北京 100841）

超级电容器与蓄电池并联混合电源放电特性

葛智元1,2，周立新1,2，赵巍1,2，王克俭1,2，王毅1,2，刘帅2，高庆3

（1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384；2.天津蓝天电源公司，天津 300384；3.海军装备部，北京 100841）

综述了超级电容器与蓄电池组成混合电源的研究现状，研究了超级电容器与蓄电池直接并联组成的混合电源在不同配置比例、不同电流和不同温度下的放电特性，并测量了混合电源的自放电性能。

超级电容器；蓄电池；混合；并联

超级电容器又叫双电层电容器、电化学电容器，它是一种性质介于静电电容器和电池之间的新型电化学储能元件，被认为是21世纪最有前途的储能元件。铅酸蓄电池是目前技术最成熟、使用量最大的廉价规模储能元件，广泛应用于电力、通信、交通运输等领域。与蓄电池相比，超级电容器具有比功率高、低温性能稳定、循环寿命长等优点，但是其比能量较低，不适于单独作为大规模电能存贮装置用。如果将超级电容器与蓄电池并联混合使用，就可以将超级电容器功率特性与蓄电池的能量特性相结合，有可能满足具有瞬时功率需求的能量存贮应用，比如汽车启动SLI电池、风电储能等。本文综述了超级电容器与蓄电池组成混合电源的研究现状，研究了超级电容器与蓄电池直接并联组成的混合电源在不同配置比例、不同电流和不同温度下的放电特性，并测量了混合电源的自放电性能。

1 混合电源的研究现状

国内外科技工作者进行了将两者联合组成混合电源的研究。

美国的R.A.Dougal等分析指出超级电容与电池并联使用能够提高充放电功率，同时能够延长蓄电池的使用寿命[1]。美国的S.Pay等将超级电容器与铅酸蓄电池并联应用在电动汽车中，表明超级电容器能够辅助加速/减速，采用功率控制器并联能够有更优的性能[2]。日本三重大学Yan Jia等研究了在独立新能源系统中采用超级电容器与铅酸蓄电池并联使用来应对由于天气变化引起的功率波动，从而延长蓄电池使用寿命的方法[3]。以色列的Alon Kuperman提出了超级电容器与蓄电池组成混合电源的设计思路[4]。爱尔兰的M.E.Glavin提出了铅酸蓄电池、超级电容器组成混合储能系统应用于独立光伏系统的优化设计[5]。

在我国，科技工作者尝试将超级蓄电池和蓄电池混合电源应用到汽车起动等脉冲功率负载中。合肥工业大学张炳力等人研究在汽车起动中应用超级电容器辅助蓄电池起动[6]。华中科技大学张丹丹等人研究了超级电容器、蓄电池复合电源脉冲系统的性能[7]。李韶杰建立了超级电容器蓄电池混合电源的数学模型，系统地分析了影响混合电源峰值输出功率的因素，并通过实验验证了混合电源的峰值输出功率性能[8]。

科学工作者已经开展了将超级电容器应用于风电场的输出中以改善风电输出质量的研究和应用实验[9]，并研究了将超级电容器和蓄电池混合电源应用于电力等储能领域的可能性。东北电力大学张振浩等对超级电容器蓄电池混合储能进行了研究，结合电厂实例进行了混合储能系统的设计和仿真，证明能够提高大功率性能[10]。中科院电工所唐西胜等提出了在储能应用（微网、太阳能电站）中使用超级电容器与蓄电池并联，可以提高系统比功率，避免蓄电池瞬间大功率充电或放电[11-13]。王斌等通过建立数学模型和软件仿真分析了混合储能系统应用于独立光伏电站储能的运行特性，结果表明混合储能系统在光伏输入功率大幅波动以及负载突变时具有很好的稳定性[14]。

此外，我国的一些汽车发烧友将超级蓄电池直接并联到汽车电池上，用于辅助汽车起动[15]。

2 混合电源的结构

按照超级电容器与蓄电池的联接组合方式，混合电源的结构可以分为直接并联、通过电感并联和通过功率变换器并联等几种方式[16]。

直接并联属于无源并联方式，具有结构简单、可靠性高等优点。但是由于超级电容器的工作电压强制与蓄电池相同，因此超级电容器的实际利用率低，系统配置也不够灵活。

通过电感器并联，是对直接并联方式的改进，也是一种无源并联方式。这种连接结构通过电感滤波对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减小内部发热和能量损耗。同样，这种方式也存在超级电容器实际利用率低、系统配置不够灵活的缺点。

通过功率变换器并联，是一种有源并联方式，功率变换器可设计为降压或升压式，以对蓄电池和超级电容器进行电压匹配。这种并联混合电源系统在工作过程中由超级电容器向脉动负载提供瞬时功率，而蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。这种并联方式具有超级电容器能量利用充分、系统设计灵活的优点，但系统的复杂性增加，因此系统可靠性也显著降低。

表1列出了混合电源不同结构的比较。

表1 混合电源不同结构比较

3 实验

3.1 实验准备

实验采用的蓄电池由天津蓝天电源公司研制，其型号包括：6FM 24（12 V 24 Ah）、6FM 38（12 V 38 Ah）、6FM 60（12 V 60Ah）。采用的超级电容器由美国MAXWELL公司生产，其型号为16.2 V/58 F。

实验中超级电容器与蓄电池直接并联，在超级电容器回路和蓄电池回路及总输出回路接入高精度分流器，用以测量各回路电流。

实验采用美国Arbin公司BT-2000型电池测试系统充电并测试电源容量，采用惠州新科华实业有限公司生产的微电脑多功能检测机进行放电，采用安捷伦34970A数据采集仪采集超级电容器、蓄电池电压和各分流器电压。放电前，混合电源均在常温下充电成满荷电状态。

3.2 超级电容器与不同容量电池并联后放电性能测试

在常温下，将单只超级电容器分别与单只12 V 24 Ah、 12 V 38 Ah、12 V 60 Ah蓄电池并联组成混合电源，用190 A间歇式（放30 s停30 s）放电方式放电至电源电压低于7.2 V时停止放电。通过测量混合电源总电流、超级电容器电流、蓄电池电压以及超级电容器电压等对混合电源放电性能进行测试和分析。

3.3 混合系统在常温下的放电性能测试

在常温下，将单只超级电容器与单只12 V 24 Ah蓄电池并联组成混合电源，分别用72、120、190和240 A间歇式（放30 s停30 s）放电方式放电至电源电压分别低于8.4、7.2、7.2和6.0 V时停止放电。通过测量混合电源总电流、超级电容器电流、蓄电池电压以及超级电容器电压等对混合电源性能进行测试和分析。

3.4 混合系统在低温下的放电性能

在低温－40℃下（放置8 h以上），将单只超级电容器与单只12 V 24 Ah蓄电池并联组成混合电源，分别用120和190 A间歇式（放30 s停30 s）电流给系统放电至电源放电电压分别低于7.2和6.0 V时停止放电。通过测量混合电源总电流、超级电容器电流、蓄电池电压以及超级电容器电压等对混合电源性能进行测试和分析。

3.5 混合电源自放电性能测试

在常温下，将单只超级电容器与单只12 V 24 Ah蓄电池并联组成混合电源，用2.4 A连续放电至10.8 V，测得混合电源10小时率容量并充满电，然后放置28天后测试剩余容量进而确定自放电率，放置期间每天测量混合电源开路电压。

同时，采用同批次的单只12 V 24 Ah电池，测量容量并充满电，然后放置28天后测试剩余容量确定自放电性能，放置期间每天测量蓄电池开路电压。

4 结果与讨论

4.1 超级电容器与不同容量电池并联后放电性能

（1）12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以190 A放电

图1所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

（2）12 V 38 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以190 A放电

图1 12 V 24 Ah+16 V 58 F@190 A放电

图2所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。图3所示是第一个放电周期内蓄电池电压及超级电容器电压变化情况。

图2 12 V 38 Ah+16 V 58 F@190 A放电

图3 12 V 38 Ah+16 V 58 F@190 A放电第一周期

（3）12 V 60 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器190 A放电

图4所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

图4 12 V 60 Ah+16 V 58 F@190 A放电

由图1～图4可以看出，系统放电时由蓄电池和超级电容器共同放电，而在间歇期间蓄电池给超级电容器充电；随着蓄电池荷电状态降低，超级电容器充电（间歇期间）电流逐渐增大，显示超级电容器由于电压波动范围加大而出现更大电流的充电。放电期间，超级电容器的电压略低于蓄电池电压。

根据充放电数据，为了比较蓄电池和超级电容器在放电过程中的表现，汇总了不同容量蓄电池混合电源放电过程中超级电容器放电占比情况，如表2所示。根据超级电容器放电量在前5、10和30 s内放电量占比情况分析可知，超级蓄电池在放电期间优先放电。在混合电源放电期间，随着蓄电池荷电状态的降低，超级电容器在整个放电周期内的放电量占比增加，即在低荷电状态下，超级蓄电池辅助放电的作用更加显著。

表2 不同容量电池混合电源放电第一周期和最后一个周期电容器放电量占比

4.2 混合电源在不同放电电流下的性能

（1）12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以72A放电

图5所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

图5 12 V 24 Ah+16 V 58 F@72 A放电

（2）12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以120 A放电

图6所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

图6 12 V 24 Ah+16 V 58 F@120 A放电

（3）12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以190 A放电

图1所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

（4）12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以240 A放电

图7所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

由图5、图6、图1和图7可以看出，混合电源放电时由蓄电池和超级电容器共同放电，而在间歇期间蓄电池给超级电容器充电；超级电容器充电（间歇期间）电流随着蓄电池荷电状态的降低而逐渐增大；放电期间，超级电容器的电压略低于蓄电池电压。

表3汇总了混合电源在不同放电电流下在第一次和最后一次放电中超级电容器放电量占比情况，可以看出随着放电电流的加大，超级电容器放电量占比减小；随着蓄电池荷电状态的降低，超级电容器的放电量占比增加。

图7 12 V 24 Ah+16 V 58 F@240 A放电

表3 混合电源在不同放电电流下在第一次和最后一次放电中超级电容器放电量占比

表4列出了混合电源在不同放电电流下在第一次和最后一次放电中超级电容器充放电最大电流的变化情况，可以看出随着放电电流的增加，超级电容的最大充放电电流均显著增加。

表4 混合电源在不同放电电流下在第一次和最后一次放电周期中超级电容器充放电电流变化 A

4.3 混合电源在低温下的放电性能

（1）－40℃条件下，12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以120 A放电

图8所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

（2）－40℃条件下，12 V 24 Ah蓄电池并联16 V 58 F超级电容器以190 A放电

图9所示是放电总电流、超级电容器电流以及蓄电池电压、超级电容器电压变化情况。

由图8、图9可以看出，与蓄电池在低温下容量显著降低的表现相同，混合电池在低温下放电时间也明显缩短，超级电容器充放电电流显著增加，发挥了更大的辅助放电作用；低温下放电过程中，蓄电池和超级电容器之间的电压差基本消失，显示超级电容器有着更加优越的低温性能。

表5汇总了超级电容器放电量占比情况，由表5中数据可以看出，在低温下，超级电容器放电量占总放电量的比重显著增加。

图8 －40℃下12 V 24 Ah+16 V 58 F@120 A放电

图9 －40℃下12 V 24 Ah+16 V 58 F@190 A放电

表5 混合电源在低温下放电时超级电容器放电量占比

表6列出了混合电源在低温下超级电容器最大充放电电流的变化。从表6中数据可知，低温下超级电容器的充放电电流明显增加，与其在低温下承担更多辅助放电功能的特性相符合。

表6 混合电源在低温下放电时超级电容器充放电电流变化 A

4.4 混合系统自放电性能

图10所示是完全充电的混合电源（6FM 24/16.2 V 58 F）以及6FM 24蓄电池放置28天期间的开路电压变化。同时，28天自放电测试结果显示，12 V 24 Ah蓄电池的自放电率为6.5%，而12 V 24 Ah蓄电池与超级电容器组成的混合电源的自放电率为13.5%。

由此可知，超级电容器与蓄电池直接并联后，混合电源与未并超级电容器的蓄电池相比，自放电率有所提高。随着超级电容器的增大，系统自放电率将随之增大。因此，合理配置超级电容器与蓄电池的比例，对于混合电源的正常使用有重要的意义。

图10 混合电源和蓄电池28天常温放置电压变化

5 结论

由超级电容器与蓄电池直接并联后的测试结果，可以得出如下结论：

（1）直接并联组成的混合电源的放电测试表明：在脉冲放电期间超级电容器首先放电，静置阶段蓄电池给超级电容器充电；

（2）在5 s以内的脉冲放电情况下，混合电源中配置更大的超级电容器能够输出更多的能量；

（3）超级电容器与铅酸电池组成混合电源，可以辅助提高蓄电池的功率输出；

（4）混合电源在低荷电状态下和低温下的大电流放电性能优于蓄电池；

（5）混合电源的自放电较蓄电池的自放电更大。

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Discharging performanceof hybrid powerof supercapacitor in parallel w ith lead acid battery

GEZhi-yuan1,2,ZHOU Li-xin1,2,ZHAOWei1,2,WANG Ke-jian1,2,WANG Yi1,2,LIU Shuai2,GAOQing3

The research status of supercapacitor/lead acid battery hybrid powerwas retrospected.The discharging performance of supercapacitor directly parallelw ith lead acid battery hybrid power at different configuration ratios, discharging currents and temperatures was studied.The self-discharging performance of hybrid power was studied.

supercapacitor;lead acid battery;hybrid;parallelconnection

TM 912

1002-087 X(2014)05-0886-04