基于超级电容的复合电源设计与应用研究

宋翌曦，赵徐成，张 磊



基于超级电容的复合电源设计与应用研究

宋翌曦，赵徐成，张 磊

（空军勤务学院，江苏徐州 221000）

当负载功率脉动性变化时，蓄电池会产生较大的峰值输出电流。这会对端电压与寿命造成严重影响。本文结合超级电容器与蓄电池，设计了一种新结构的复合电源。通过电路仿真，校正了PID控制参数，验证了控制电路的有效性。搭建了复合电源样机，得出了复合电源在带功率脉动性负载时，相对蓄电池或超级电容器的应用优势。

复合电源；超级电容器；脉动性负载；电路仿真；蓄电池；PID参数

采用蓄电池带动功率脉动性负载时，要求蓄电池有较大容量与较高放电倍率，但频繁高倍率放电严重影响蓄电池寿命，甚至造成其因过流放电而损坏极板[1]。超级电容器具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长等优点，但工作时输出端电压会持续下降。如文献[2]所述，将超级电容器单独作为电源时，需使用大量超级电容器单体，并配套使用复杂的稳压与均压电路。根据适配负载要求与超级电容器特点，本文将蓄电池与超级电容器组合，对二者的连接方式进行研究与优选，设计了一种瞬时大功率输出性能较好的复合电源，大电流放电条件下能有效减少输出压降，延长蓄电池使用寿命。

1 主电路设计

复合电源系统中超级电容器与蓄电池的连接方法主要有以下几类：直接并联、通过电感并联和利用双向DC-DC变换器并联。前两种方式需强制蓄电池与超级电容器电压相等，超级电容器高功率密度优势无法有效体现[3]。蓄电池通过双向DC-DC变换器与超级电容器并联一般有两种构型：一即超级电容器直接连接负载，蓄电池通过DC-DC变换器与超级电容器并联，虽能解决超级电容器储能偏少的问题，但工作过程中直流母线电压变化较大。二即如文献[4]所述，超级电容器、蓄电池分别通过DC-DC变换器并联至功率总线，但该设计需采用的功率器件较多、需采集的控制参数较多，且两个DC-DC变换器处于同一控制流程，使开关电源瞬态响应较差的先天弊端体现更为明显。为克服上述不足，本文创新提出如图1所示的复合电源结构，蓄电池直接通过直流母线接负载，单片机作为控制系统的核心，利用PWM技术调节双向DC-DC变换器变比，控制超级电容器输出功率，达到限制蓄电池输出电流的目的。该构型的控制环中只涉及一个DC-DC变换器，通过合理调节PID参数能保证电源较好的瞬态响应性能。

图1 复合电源原理结构图

研究中，为简化分析过程，可近似将蓄电池模型简化为理想电压源与等效内阻串联结构、将超级电容器模型简化为理想电容器。

2 控制策略

与常见的“超级电容器不控输出、限制蓄电池输出”控制策略不同，针对本文电源结构设计，创新提出通过直接控制超级电容器输出功率，从而间接限制蓄电池输出功率的控制策略。控制系统以单片机为控制中心，双向DC-DC变换器为控制对象，PWM为控制手段，采用如图2所示的电压、电流双环控制策略。控制系统所要收集的参数有：双向DC-DC变换器电感电流、超级电容器器端电压。

图2 电压电流双环控制框图

电流环作为控制外环，通过MAX4072电流检测芯片与外部检测电阻采集直流母线电感电流。针对蓄电池的输出特性以及实际应用中的功率需求，设置一个电流分界值e=200 A。当负载电流低于e时，仅由蓄电池输出，且蓄电池采用恒流法为超级电容器充电；当负载电流高于e时，超级电容器开始放电工作。通过提高DC-DC变换器输出端电压，使超级电容器提供增量电流cap输出电流不高于e。电压环作为控制内环，通过电阻采样、限幅后送入单片机进行AD转换，利用数字PID算法构成电压反馈控制。单片机双环控制程序流程如图3所示。

图3 复合电源控制流程

电压环中PID增量式由式（1）得到。

DU=p(e–e–1)+1e+D(e–2e–1+e–2)（1）

调节数字PID的是实质就是调节p、1、D的值，以提高反馈信号质量[5]。对于以上参数，在电路仿真中进行调整与确定。

3 电路模拟仿真

为调整复合电源控制策略中数字PID算法参数，提高系统响应速度、减少超调量，本文利用MATLAB/ Simulink搭建电路仿真模型。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

Tab.1 Simulation parameter

（b）电路参数

类别数值 直流电源电压/ V28 电感/10–8H5.4 电容/10–2F0.48 电阻/Ω0.56 占空比/%16 载波频率/kHz15

在对PID参数进行调节之前，根据文献[8]参数进行设置，得到如图4（a）所示的电压波形，经多次校正PID参数后，确定p=0.6，1=0.005，D=0.015，得到如图4（b）所示的最优电压波形，电源从暂态到新稳态时间不超过0.03 s，满足使用要求。

（a）PID参数校正前

（b）PID参数校正后

图4 电压波形

Fig.4 Voltage waveform

从仿真电压波形中可知，当负载功率脉动性变化时，复合电源输出电压变化幅度较小，超级电容器能及时提供增量电流cap，证明了复合电源控制系统的有效性。

4 电源实验

为证明该型复合电源在实际应用中的优势，本文利用图5所示器材搭建实验平台。

（a）182AH蓄电池

（b）超级电容器组

（c）双向DC-DC变换器

平台包括：实验组，由复合电源接脉动性电阻负载；对照组一，由蓄电池接脉动性负载；对照组二，超级电容器组与双向DC-DC变换器接脉动性负载。蓄电池模块，包含两块串联的182 Ah铅酸蓄电池，额定输出电压为28 V；超级电容模块，选择单体2.7 V/3000 F 的超级电容器构成超级电容器组，整体容量1800 F、额定电压24.3 V。负载模块由多个带开关的电阻加热丝并联得到，单根电阻加热丝功率为1.4 kW，通过开关部分电热丝模拟负载功率的脉动性。脉动性负载模块工况按表1（a）的负载功率需求设置。实验过程中用数字万用表测量负载两端电压大小。实验组与两对照组的各项实测数据如表2所示。

表2 电源实验数据

Tab.2 Experimental data

从表2数据可得，对照组一在负载功率较低时输出电压较为稳定，但是负载功率升高后输出电压有所下降，特别是负载功率高于11.2 kW时，由于蓄电池放电倍率增大，负载端电压下降至26 V左右，此时蓄电池功率密度较低的特点有所体现。输出功率继续增大时，蓄电池输出端电压进一步下降至25 V，已不能满足使用要求。

对照组二的输出端电压在实验开始时较为稳定，但当工作时间超过40 s后，超级电容器能量密度不足的缺点开始体现。超级电容器存储的能量、电量与端电压的关系如（2）、（3）两式所示：

(3)

通过式（3）可知初始电容存储的电量与放电电流一定时，电压随放电时间延长而下降，从（2）式可知电容器所储存能量随端电压的下降成二次幂下降。工作时间较长，输出电量较多时，超级电容器输出端电压低于DC-DC变换器最低要求，电路进入保护状态停止工作。

从实验组的数据中可知，该型复合电源在低、中、高负载工况下，输出端电压基本保持稳定，特别是在负载功率达到16.8 kW时复合电源输出电压稳定在27.4 V以上，蓄电池输出电流不超过200 A。实验数据说明，该型复合电源兼顾了高能量密度与高功率密度，能有效稳定输出电压、延长蓄电池寿命、降低发热量与内部损耗。

5 结论

将蓄电池与超级电容器优点相结合，提出了一种新型复合电源结构，设计了一款峰值输出功率在16 kW左右的复合电源系统。通过实验可知，该型复合电源带动脉动性负载时输出电压稳定，具有响应速度快、质量体积相对较小、内置蓄电池使用寿命长等特点。该型电源结构对未来航空地面电源、配电所直流操作电源、铁道系统应急电源系统的设计具有较大参考价值。

[1] 聂小勇, 蒋兴, 陈波波, 等. 并联磷酸铁锂电池在110 kV变电站的应用研究 [J]. 电源技术, 2016, 40(5): 979-981.

[2] 任喜国, 杨承志. 超级电容直流电源的研究 [J]. 科学技术与工程, 2013, 13(19): 5644-5647.

[3] 任丽红. 基于PNGV的超级电容蓄电池复合电源的研究 [J]. 电源技术, 2013, 37(10): 1798-1800.

[4] 姚佼. 超级电容辅助动力电动车电源建模与仿真研究 [D]. 西安: 长安大学, 2007.

[5] 蓝正升, 邹焕青. 电-电复合电源与功率分配控制的建模仿真研究 [J]. 电力机车与城轨车辆, 2012, 35(5): 39-47.

[6] 孔华, 康凯, 张光, 等. 超级电容在航空蓄电池起动车上的应用研究 [J]. 电源技术, 2015, 39(10): 2134-2136.

[7] 刘心爱. 铁路智能型箱式变电站操作电源分析 [J]. 铁道标准设计, 2010(11): 107-109.

[8] 范伟. 超级电容器直流电源的研制及应用 [D]. 保定: 华北电力大学, 2007.

[9] 张纯江, 董杰, 刘君, 等. 蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略 [J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 334-340.

[10] 胡恒生, 朱琳. 航空化学电源 [M]. 徐州: 中国人民解放军空军勤务学院出版社, 2013: 91-95.

[11] 胡寿松. 自动控制原理基础教程 [M]. 北京: 科学出版社, 2012: 204-207.

（编辑：曾革）

Research of hybrid DC power based on super-capacitor in design and application

SONG Yixi, ZHAO Xucheng, ZHANG Lei

(Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China)

When load power is pulsating, the accumulator would provide a large output current. This can seriously impact output voltage and battery life. Combined with an accumulator and a super-capacitor, a new structure of hybrid power system was designed. Using circuit simulation, PID parameters were determined, and the validity of the control circuit was verified. A modular power supply was built, and experiments prove the hybrid power system has application advantages in driving pulsating loads compared with accumulators or super-capacitors alone.

hybrid power system; super-capacitor; pulsating load; circuit simulation; accumulator; PID parameters

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.016

TM53

A

1001-2028（2017）04-0081-04

2017-01-25

赵徐成

赵徐成（1961－），男，江苏徐州人，教授，博士，主要研究方向为航空供电装备与保障，E-mail: 775160943@qq.com；宋翌曦（1995－），男，四川成都人，研究生，主要研究方向为航空地面电源与开关电源技术。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.016.html