蓄电池-超级电容复合电源实验系统的设计

储开斌， 郭俊俊， 冯成涛， 王 赟

(常州大学信息科学与工程学院，江苏常州213016)

0 引言

电动汽车、数字式移动设备和医学移植等系统具有脉冲负载的特性，其特点是瞬时的脉冲功率较高而平均功率较低，通常要求供电电源具有比能量高及比功率大的特点［1-2］。蓄电池是一种比功率小、比能量大的储能元件，超级电容器具有比功率大的特征，将蓄电池与超级电容复合使用，利用蓄电池比容量大，超级电容比功率大的特点，很好地满足了脉冲负载对供电电源的要求，是目前应用较为广泛的一种供电方式［3］。

为帮助电气专业学生掌握电力电子技术，本文设计了一个蓄电池-超级电容复合电源实验系统，作为电气类专业的课程设计及综合实训项目，该项目体现了实验内容的工程性、实现方法的多样性、知识结构的综合性、实践过程的探索性。同时，该实验内容还涵盖了已学课程、拓展未学知识，实现跨课程知识融合，已有知识与拓展知识融合。

1 复合电源系统结构

蓄电池-超级电容复合电源系统中，蓄电池与超级电容的连接方式有:①被动式结构。该结构是将蓄电池与超级电容直接并联使用，具有结构简单的特点，但该结构需蓄电池电压与超级电容电压相等，且超级电容对蓄电池的能量补偿效果较差［4］;②全主动式结构。该结构是将超级电容及蓄电池均通过DC/DC变换后与供电母线相连，该结构灵活性强，但需采集及控制的参数较多，且两个DC/DC变换器同步控制较难，电源响应较差［5］;③半主动式结构。该结构将蓄电池直接与供电母线相连，超级电容经DC/DC变换后接到母线中，该方法只要调节单个DC/DC，合理设计控制参数及算法，可以满足复合电源对脉冲负载供电时的瞬态响应要求［6］。

本实验系统采用半主动式结构复合电源如图1所示。图中将蓄电池及超级电容均进行理想化，分别由理想电压源与内阻串联等效［7-8］。图中:E表示为蓄电池;UC表示为超级电容;R1表示蓄电池内阻;R2表示超级电容的内阻。

图1 复合电源拓扑结构图

2 基于电流-电压的双环PID能量控制策略

2.1 电流-电压双环PID控制策略的设计

在蓄电池-超级电容复合电源实验系统中，为满足脉冲负载对复合电源的要求，提出了一种基于电流-电压的双环PID控制策略［9］，结构如图2所示。控制原理:当负载工作于脉冲瞬时大功率输出时，电流采样器检测到负载电流的大幅变化并送到PID控制器，PID控制器通过控制双向DC/DC变换器能量补偿规模，将超级电容的能量输送给负载，达到补偿作用;由于蓄电池自身特点及内阻的影响，当输出较大的瞬态峰值功率时，负载两端电压会大幅下降，系统同时将电压取样信号送到PID控制器模块，辅助系统进行调节，达到对蓄电池输出功率进行高质量补偿的作用［10］。在负载间隙期，双向DC/DC通过蓄电池对超级电容进行反向充电，以补充因动态功率输出而造成的能量损失。由于该控制策略的增益带宽大，电流电压调整率高，对输出电流电压瞬态变化的响应快，所以输出也相对稳定，补偿效果较好。

图2 PID控制结构框图

2.2 基于电流-电压的双环PID算法能量分配策略

蓄电池在不同的荷电下，母线电压并不相同，因此，简单地依赖电压变化无法进行合理能量补偿。本文将母线电压变化与负载电流变化相结合，兼顾蓄电池的荷电对能量进行分配，大大提高了超级电容对蓄电池能量的补偿精度。

PID控制算法并不要求受控对象的精确数学模型，具有灵活性和适用性，采用双环PID控制器，不仅增强了系统的抗干扰性，而且对于干扰回复迅速，提高了系统的鲁棒性。电流-电压双环PID控制策略如图3所示。电压作为内环控制，电流为外环控制，分别以电流和电压作为反馈量进行双环PID控制，PID控制关系式为:

图3 电流-电压双环PID控制策略

电流环作为PID控制外环，通过电流传感器采集母线中的负载电流变化量，利用PID外环电流控制策略，用超级电容补偿大部分脉冲负载所需的瞬时能量，该控制策略具有反应速度快的特点，满足脉冲负载的瞬时变化要求。电压环作为PID控制内环，通过电压采样电路采集负载两端电压变化量，利用PID内环电压控制策略辅助调节超级电容对脉冲负载的能量补偿，提高补偿精度［11］。同时，该控制策略还弱化蓄电池的电流波动，改善蓄电池的放电状态，延长蓄电池的放电时间，达到提高蓄电池寿命的作用。

电流-电压双环PID控制策略的程序流程图如图4所示。

图4 程序控制流程图

3 复合电源的仿真与实验

为了验证复合电源拓扑结构及控制策略的可行性，在MATLAB仿真环境下，对图1所示拓扑结构及图3所示的控制策略进行仿真，观察蓄电池及超级电容的电压与电流波形［12-13］。仿真参数如表1所示。

表1 半主动式复合电源仿真数据表

在对脉冲负载供电时，蓄电池及超级电容两端电压波形如图5所示。由图5可以观察到，在脉冲负载处于间隙期时，蓄电池两端电压约为25 V。负载脉冲期时，蓄电池两端电压最低为24.4 V，电压波动0.6 V。而超级电容在脉冲负载间隙期两端电压为14 V，负载脉冲期最低电压仅为10.1 V，电压波动为3.9 V。由此可知，由于超级电容在负载脉冲期提供了大部分的脉冲能量，使蓄电池两端电压波动明显减小。

图5 复合电源的电压

图6所示为蓄电池与超级电容中的电流波形。由图6可知，去除0～0.005 s的不稳定期，蓄电池最大输出电流仅为0.7 A，而超级电容提供的最大脉冲电流幅度达到3.5 A，超级电容在负载脉冲期提供了大部分补充能量，使蓄电池提供的电流波动较小。

因此，从仿真结果来看，超级电容器在脉冲负载发生变化时能提供大电流能量补充，让蓄电池只承受小部分电流，从而起到辅助电源的作用。该拓扑结构及控制策略能对脉冲负载提供合适的能量补偿，满足了脉冲负载对复合电源的要求。同时，超级电容补偿了大部分的脉冲能量，使蓄电池的电流波动较小，优化了蓄电池的负载特性，达到保护蓄电池的作用。

图6 复合电源的电流

4 电路实验验证

采用电流型脉宽调制电源芯片UC3842构成Boost升压DC/DC变换器［14-15］，电路如图7所示。在实验系统中，采用STM32单片机作为电压、电流的采样及PID控制器，蓄电池由2只12 V—20 A·h的单体铅酸电池串联而成，额定输出电压为24 V。超级电容由5只2.7 V—650 F的单体电容串联而成，其额定电压为13.5 V。

图7 DC/DC变换器电路

蓄电池-超级电容复合电源给脉冲负载供电时的电压波形如图8所示。由图8(a)可知，在脉冲负载的作用下，超级电容电压最低为9 V，较轻载电压12.1 V下降了3.1 V;由图8(b)可知，蓄电池电压最小为24.4 V，较轻载电压24.9 V 下降 0.5 V。蓄电池电压在负载脉冲变化过程中，电压变化较小，而超级电容电压变化较大，与仿真结果一致。

图9所示为复合电源中蓄电池及超级电容的电流波形。由图9(a)可知，超级电容电流最大值为3.5 A，而轻载时电流几乎为0 A，在负载脉冲期提供了较大的能量。由图9(b)可知，蓄电池电流最大值仅为0.8 A，远小于超级电容提供的能量，验证了该拓扑结构及控制策略的可行性。

图8 复合电源电压波形

图9 复合电源电流波形

5 结语

本文在分析了复合电源拓扑结构的基础上，提出了一种基于半主动式拓扑结构及电压-电流双环PID控制策略的复合电源。在MATLAB环境下对该拓扑结构及控制策略进行仿真，并搭建实验电路进行验证。实验结果表明，采用蓄电池和超级电容同时向脉冲负载供电，负载大部分脉冲电流由超级电容提供，蓄电池只需要提供较小的负载电流。该方法满足了脉冲负载对电源提出的比功率大、比能量大的特点。同时，明显减轻蓄电池在大电流时的放电压力，改善了蓄电池的电压纹波，从而延长了蓄电池的放电时间，增加蓄电池的循环使用寿命，具有很好的应用前景。