超级电容器与起动电池并联混合电源的研究

宋志光，陈志雪，曲宝光，陈二霞，王再红，李二周

（风帆有限责任公司，河北 保定 071057）

超级电容器与起动电池并联混合电源的研究

宋志光，陈志雪，曲宝光，陈二霞，王再红，李二周

（风帆有限责任公司，河北 保定 071057）

汽车工业的发展对起动电池的大电流放电性能提出了更高的要求。蓄电池和超级电容器组成的混合电源就具有极其优异的大电流放电特性。本文对几种不同型号的起动免维护电池和超级电容器直接并联组成的混合电源进行了不同温度下的大电流放电特性研究，并通过理论计算和实际数据结合，推导出需要和蓄电池并联的超级电容器的容量匹配公式。

超级电容器；起动电池；并联；混合电源；大电流放电；匹配公式

0　前言

随着汽车行业的不断发展，铅酸蓄电池不仅仅为起动发动机提供动力，同时也要为其它车载用电器提供电能。涡轮增压系统在汽车上的广泛应用，使汽车对蓄电池起动瞬间的功率提出了更高的要求。因而设计新型铅酸蓄电池或者采用其他方法提高蓄电池的使用寿命和放电性能成为了世界各国的研究热点［1-2］。

超级电容器是一种利用双电层来进行充放电循环的物理电源器件，具有功率密度高、循环寿命长、可快速循环充放电、工作温度范围大和可靠性高等特性。超级电容以其特殊的性能而被广泛应用，尤其是在汽车起停系统和新能源汽车领域的应用已引起世界各国的广泛重视［3］。

蓄电池和超级电容器组成的混合电源具有极其优异的大电流放电特性，可满足现代汽车行业对起动电池大电流放电性能的高要求［4-7］。超级电容器与蓄电池最简单的联合应用方式为直接并联，具有高可靠性和经济性的优点，但同时也存在组合方式受限和容量实际利用率低等缺点［8］。本文中，对几种不同型号的起动免维护铅酸蓄电池和超级电容器并联组成的混合电源进行了不同温度下的大电流放电特性研究，并通过理论计算和实验数据结合，推导出需要和起动免维护蓄电池并联的超级电容器的容量匹配公式。

1　实验

实验所用免维护铅酸蓄电池的型号分别为6-QW-36（简称 36）、6-QW-60（简称 60）、6-QW-80（简称 80）和6-QW-105（简称 105）；与其并联的超级电容器为美国 58F、250F超级电容器以及我国某公司生产的500F超级电容器。

实验过程是将上述蓄电池和超级电容器两两直接并联后，采用德国 BTS 公司的HEV 1500-030ME型电池放电测试系统，分别在-30℃、-18℃、0℃、40℃和60℃条件下进行大电流放电。放电电流根据上述蓄电池型号分别选用265 A、320 A、 380 A和512 A，放电时间均为30s，测试时间间隔为0.1s。采用美控公司的MIK-5000D 系列数据记录仪记录超级电容器和蓄电池的电压。

2　结果与讨论

2.1不同温度对混合电源大电流放电电压的影响

图1为混合电源在-30℃条件下大电流放电电压变化图。其中 Normal 指未与超级电容器并联的蓄电池；58F、250F、500F分别指混合电源中与蓄电池并联的超级电容器的型号，下同。从图1 可以看出：在-30℃条件下，58F超级电容器在大电流放电的前3s内对所有电池的放电有明显的补偿作用；250F和500F超级电容器对电池放电电流的补偿作用时间分别为7s和10s。汽车的一次成功起动过程只需 1～3s，可以预计在-30℃条件下，三种超级电容器对汽车起动能力均具有明显的增强作用。

图1　混合电源在-30℃条件下大电流放电电压变化趋势图

从图2 可看出：在-18℃低温和所研究的放电电流条件下，58F超级电容器对容量大于80Ah电池的电压变化影响很小；而 250F和500F超级电容器对这 4种型号电池的放电电压都产生了明显的影响。这说明对本实验设计的起动电流来说，小型号超级电容器对较大容量的蓄电池的起用能力所起的增强作用不大，而大型号超级电容器的补偿作用比较明显。

图2　混合电源在-18℃条件下大电流放电电压变化趋势图

从图3 可以看出：在0℃和所研究的放电电流条件下，58F超级电容器对容量大于60Ah电池的电压变化影响可以忽略，对容量分别为36Ah和60Ah电池，其有效作用时间为3s；250F和500F超级电容器在5s以内对于电池放电电流的补偿作用非常明显。

图3　混合电源在0℃条件下大电流放电电压变化趋势图

从图4中可以看出，在40℃和所研究的放电电流下，58F超级电容器对本研究中所有电池放电电压的影响都可以忽略了，而且 250F和500F超级电容器对放电电压的影响也明显减弱了。

图4　混合电源在40℃条件下大电流放电电压变化趋势图

从图5中可以看出，在60℃和所研究的放电电流条件下，超级电容器对电池电压的影响就更小了。这表明随着温度的升高，尤其是温度到达高温区间以后，电池本身的能力已经能够完全满足汽车起动的要求。所以，超级电容器对起动电池的补偿作用在冬天及寒冷地区能发挥更大作用，而在夏季及热带地区的影响作用很小。同时可以预计，在需要更大电流的情形下，超级电容器的作用将更加明显。

图5　混合电源在60℃条件下大电流放电电压变化趋势图

蓄电池在不同温度下大电流放电时，并联超级电容器后的混合电源的电压变化趋势不同于单独的蓄电池电压变化。原因可能是：在低温条件下，电池的化学反应势垒比较高，并联超级电容器后，利用超级电容器良好的功率性能，为化学反应越过相应的势垒，提供了缓冲的时间；随着温度的升高，尤其高于0℃后，化学反应势垒已经不是影响化学反应的主要因素了，因此并联电容后对电池的补偿作用随着温度升高而降低。

2.2超级电容器和蓄电池并联的匹配机理

2.2.1电容基本状态

超级电容的容量一般用C来表示。C和电量Q、电容器放电电流Icc、电容的电压U及放电时间t 存在如下关系：

理想超级电容只有一个固定的内阻Rcc，这个内阻不随放电时间、放电电压和放电电流的变化而变化。但在实际使用过程中，Rcc只是在放电开始时约1s内几乎没有变化。

2.2.2理想状态超级电容器与蓄电池并联后的放电规律

在本研究中，我们采用电池和电容器并联，然后恒流放电。在这个实验过程中，总电流I 是一个固定值，可分为两部分，分别是电容器电流Icc和电池电流Ibatt，即 I= Icc+Ibatt。根据公式 W=It 可得到混合电源放出的电量W。通过对电量进行微分，再根据公式（1）～（3）得到

对于16.2V 超级电容而言，电容和电压之间存在如下关系：

其中，a为超级电容的总容量，16.2V为该研究中超级电容器的上限电压。所以

根据欧姆定律 U= Icc·Rcc，故

即混合电源在单位时间内，容量变化和电压变化的比值是一个定值。

2.2.3理想混合电源有效放电时间

因为超级电容在实际放电过程中，内阻并不是不变，而是在一定时间以后，才开始发生变化。因而当超级电容遵从公式（11）变化时，有一个时间节点。我们在现实使用过程中，需要找到这个节点。因此由公式（4）得

在这个节点时间内，超级电容器放电近似符合理想状态。本研究中，对不同的混合电源在不同温度下dW/dU的变化趋势进行了测试，并对测试数据进行了相应的处理，发现dW/dU趋势均符合图6。从图6中可以看出，在最开始的很短时间内（约1s），电容的dW/dU近似是恒定的（符合理想状态），之后的变化趋势近似为一条上升的直线。对于本研究中所使用超级电容，随着放电的继续进行，电阻呈现一种近似直线的变化趋势。这是因为超级电容最开始放电时候，只是简单地两个极板表面上电荷在转移，但是随着放电的继续进行，极板表面的电荷已经不能够满足电容继续放电的要求，于是极板内部的电荷就从孔洞向表面转移。不同型号和厂家的超级电容的Rcc变化也是不同的。对于水系活性炭的双电层电容而言，Rcc的变化为一条近似的直线，这是因为内部电荷从活性炭内部移动到表面的过程可以理解为是匀速转移的。

图6　实际应用中混合电源dW/dU变化图

2.2.4实际状态超级电容器并联后放电规律

放电时间超过节点时间以后，电容的内阻不再是个定值，根据该试验中超级电容的特点，其电阻的变化近似符合直线规律，故

混合电源中超级电容器的选择和以下几个因素有关：混合电源大电流放电电流I；总容量的变化△W；总电压的变化 △U，超级电容的内阻Rcc。对于16V电池系统，需要和电池匹配的超级电容器的大小可以根据公式（15）求出来。对不同温度条件下混合电源dW/dU在放电时间里（其中 58F超级电容器在前3s内，250F和500F超级电容器在前5s内）的数据拟合后，取斜线趋势线求 K值（见表1）。

从表1中可以看出，随着超级电容器容量的增加，K 值变化量减小。随着温度的增加，K 值变大，这是因为温度升高后，电池本身的化学反应速率加快，超级电容器对电池的电流补偿作用变小。

3　结论

（1）三种超级电容器随着温度的升高，对蓄电池放电电压的补偿作用逐渐减小。

（2）58F超级电容器在-30℃条件下对蓄电池电流补偿作用很明显，但当温度高于0℃后，其补偿作用变小。

（3）超级电容器和蓄电池并联后的混合电源在

表1　不同配置的混合电源在不同温度下K 值表

放电 0.6 ～1s内符合理想状态。

［1］尚晓丽，黄镔，吴贤章.起停电池国内外技术发展现状［J］.蓄电池，2016，53（1）：45-50.

［2］王琰，张立华，吴喜攀.未来的汽车用铅酸蓄电池［J］.蓄电池，2008（3）：130-136.

［3］朱磊，吴伯荣，陈晖，等.超级电容器研究及其应用［J］.稀有金属，2003，27（3）：385-390.

［4］葛智元，周立新，赵巍，等.超级电容器与蓄电池并联混合电源放电特性［J］.电源技术，2014，38（5）：886-913.

［5］刘勇.超级电池技术研究进展［J］.电源技术，2014，38（5）：981-983.

［6］李韶杰.超级电容器蓄电池混合电源性能研究［J］.电源技术，2010，34（6）：567-571.

［7］唐西胜，齐智平.超级电容器蓄电池混合电源［J］.电源技术，2006，30（11）：933-936.

［8］李韶杰.超级电容器蓄电池混合电源的建模与性能分析［J］.蓄电池，2010（2）：67-70.

The hybrid powerstudy oFsupercapacitor andstart-stop battery in parallel

SONG Zhiguang，CHEN Zhixue，QU Baoguang，CHEN Erxia，WANG Zaihong，LI Erzhou
（Fengfan Co.，Ltd，Baoding Hebei 071057，China）

High performance oFstart-stop battery is needed to adapt to the development oFauto industry.supercapacitor / battery hybrid powersystem has excellent high-rate discharge performance.In this paper，high-rate discharge characteristics oFdifferent types oFhybrid powers oFstart-stop maintenance-free lead-acid batteries andsupercapacitors in parallel were tested and analyzed.Finally，based on combining theoretic calculation and the experimental data，the matchingFormulas oFthe batteries andsupercapacitors in parallel were obtained.

supercapacitor；start-stop battery；in parallel；hybrid power；high-rate discharge；matchingFormula

TM 912.9

B

1006-0847（2016）05-201-06

2016-07-04