超級(jí)電容與蓄電池組合電源在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用

1、<p>　　超級(jí)電容與蓄電池組合電源在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用</p><p>　　摘要：本文提出了超級(jí)電容器與蓄電池組合應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)構(gòu)成雙電源供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了雙電源的連接方式，超級(jí)電容可通過(guò)雙向DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)，以使超級(jí)電容能釋放出更多的電能；給出了超級(jí)電容器與蓄電池組合的控制策略，使蓄電池在任何情況下都工作于額定功率下的最佳工作狀態(tài)，有效的保證了蓄電池免受沖擊，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。 &

2、lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器 蓄電池 控制策略 沖擊 </p><p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　中國(guó)已成為全球最大的電動(dòng)自行車(chē)生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和出口國(guó)[1]。電動(dòng)自行車(chē)作為一種節(jié)能環(huán)保、出行便捷的中短距離交通工具，深受廣大消費(fèi)者歡迎，同時(shí)，電動(dòng)自行車(chē)將向著多功能型及節(jié)能型的方向發(fā)展。當(dāng)前，電動(dòng)自行車(chē)存在的問(wèn)題

3、主要集中在：蓄電池的使用壽命和頻繁的更換上，蓄電池存充電時(shí)間長(zhǎng)、充放電次數(shù)有限以及還有接觸不良等等問(wèn)題，所以，蓄電池是影響電動(dòng)自行車(chē)性能質(zhì)量的關(guān)鍵部件，也是制約著電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，許多科技發(fā)達(dá)的國(guó)家都致力于研發(fā)新型的電動(dòng)自行車(chē)電池[2-3]，包括高功率鎘鎳、鋅鎳、氫鎳、鋰聚合物以及燃料電池等等。氫鎳電池在日本、歐美等國(guó)應(yīng)用較為廣泛；鋰離子/鋰聚合物等電池也在推廣使用。我國(guó)也有許多科研院所也在積極研發(fā)電動(dòng)自行車(chē)用的新型電池

4、，但目前95%左右的電動(dòng)自行車(chē)仍采用傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池。然而，由于鉛酸蓄電池的壽命比較短，在一年左右就需要更換；而且，當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)處于啟動(dòng)、加速、爬坡、逆風(fēng)和載重運(yùn)行時(shí)，電池在短時(shí)間內(nèi)要提供幾十安培的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，鉛酸蓄電池難以達(dá)到良好的效果，而且如此大的電流會(huì)對(duì)電池造成沖擊性傷害，嚴(yán)重的影響電池續(xù)航里程和使用壽命。超級(jí)電容具有其它電池?zé)o可比擬的優(yōu)</p><p><b>　　2 超級(jí)電容 </b&

5、gt;</p><p>　　超級(jí)電容又稱(chēng)為電化學(xué)電容器，是介于電池和電容器之間的一種儲(chǔ)能器件，既具有電容器快速充放電的特點(diǎn)，又具有電化學(xué)電池的儲(chǔ)能機(jī)理。 </p><p>　　超級(jí)電容主要有如下特點(diǎn)： </p><p>　?、匐娙萘看?。單體超級(jí)電容器的電容量比同體積的電解電容器大2000～10000倍，可達(dá)數(shù)千法或數(shù)萬(wàn)法拉。 </p><p>

6、;　　②功率密度高。超級(jí)電容能提供瞬時(shí)大電流，在短時(shí)間內(nèi)電流就可以達(dá)到幾百至幾千安培，功率密度是蓄電池的近百倍，可達(dá)1000W/kg。 </p><p>　?、鄢潆娝俣瓤?。充電幾分鐘就可達(dá)到額定容量的95%以上。 </p><p>　?、苣芰哭D(zhuǎn)換效率高、充放電接受能力強(qiáng)。大電流充放電能量循環(huán)效率大于90%，充放電過(guò)程中能量損失小。 </p><p>　　⑤循環(huán)使用壽

7、命長(zhǎng)。在正常使用條件下，循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)十萬(wàn)次以上。 </p><p>　?、奘褂脺囟确秶鷮挘煽啃愿?。在-40～65℃的溫度范圍內(nèi)都能正常、安全、可靠工作。 </p><p>　　3 超級(jí)電容與蓄電池組合 </p><p>　　將超級(jí)電容與蓄電池合理組合，構(gòu)成雙電源供電，布置在電動(dòng)自行車(chē)上，共同承擔(dān)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)的任務(wù)。當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)正常在平坦路面行使時(shí)，由蓄電池單

8、獨(dú)供電；在啟動(dòng)、爬坡、加速等需要瞬時(shí)大功率階段，超級(jí)電容器與蓄電池同時(shí)向電機(jī)供電。當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)對(duì)外發(fā)電，超級(jí)電容儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)能量回收利用。 </p><p>　　由于超級(jí)電容器具有比功率大，充電速度快，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。將超級(jí)電容器與蓄電池相結(jié)合，能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，能有效地改善現(xiàn)有的電池性能、延長(zhǎng)其使用壽命。但是超級(jí)電容也具有能量密度低，串聯(lián)內(nèi)阻大的缺點(diǎn)，若將串聯(lián)超級(jí)電容組與蓄電池組直接并聯(lián)，由于過(guò)大的

9、內(nèi)阻將使超級(jí)電容組輸出的電流過(guò)小，這樣將不能起到分流保護(hù)蓄電池的作用。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向的DC/DC變換器，超級(jí)電容可通過(guò)DC/DC變換器再與蓄電池相并聯(lián)，輸出功率可隨意調(diào)整。為此，在運(yùn)行時(shí)必須構(gòu)建一定的控制策略，能夠在電機(jī)電流需求過(guò)大時(shí)及時(shí)啟動(dòng)或擴(kuò)大超級(jí)電容的輸出電流，限制蓄電池輸出過(guò)載電流，以保護(hù)蓄電池。 </p><p>　　控制策略根據(jù)電動(dòng)自行車(chē)的運(yùn)行工況確定，工況可分為平地行駛，啟動(dòng)、加速、爬坡、

10、過(guò)載、剎車(chē)等幾種。 </p><p>　　3.1 啟動(dòng)、加速、爬坡和過(guò)載狀態(tài) </p><p>　　在這種狀態(tài)下電機(jī)有瞬時(shí)大功率的需求，應(yīng)由超級(jí)電容和蓄電池共同輸出功率以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，鑒于超級(jí)電容具有短時(shí)大電流放電的特性，相比蓄電池，超級(jí)電容能夠更好地滿(mǎn)足這一要求，此時(shí)，可以由超級(jí)電容承擔(dān)大部分的負(fù)荷。因此，在這一階段超級(jí)電容需作為主能量源，承擔(dān)峰值功率，而蓄電池只作為輔助能量源；當(dāng)峰值功率過(guò)

11、后，超級(jí)電容退出，負(fù)荷由蓄電池承擔(dān)。 </p><p>　　3.2 平地勻速行駛狀態(tài) </p><p>　　當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)在平地勻速行駛的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，功率需求不高，此時(shí)，蓄電池輸出功率完全可以滿(mǎn)足電機(jī)動(dòng)力性的要求。在此工況下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能量完全由蓄電池單獨(dú)提供，超級(jí)電容不需釋放功率。 </p><p><b>　　3.3 剎車(chē)狀態(tài) </b>&l

12、t;/p><p>　　當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)處于剎車(chē)狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，該電能可以經(jīng)雙向DC/DC變換器逆變送回超級(jí)電容。在此狀態(tài)下蓄電池與電機(jī)之間的回路被切斷，蓄電池不吸收回饋電能，這樣能避免再生電流對(duì)蓄電池造成沖擊傷害。 </p><p>　　將超級(jí)電容作為再生制動(dòng)回饋能量的儲(chǔ)能容器，正是利用了超級(jí)電容能夠吸收瞬時(shí)大電流的特性，也可有效提高能量的回收率。 </

13、p><p>　　雙電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)的能量管理目標(biāo)是： 采用合理的控制策略，實(shí)現(xiàn)兩種儲(chǔ)能容器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在確保電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力性要求的同時(shí)，讓蓄電池時(shí)刻工作于低電流放電的最佳工作狀態(tài)；其次，更好的利用了超級(jí)電容的特點(diǎn)，將再生發(fā)電制動(dòng)方式產(chǎn)生的電能回饋到超級(jí)電容器，既提高了能量的回收率又對(duì)蓄電池起到了保護(hù)作用，免受沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命。 　　電動(dòng)自行車(chē)工作狀態(tài)的判別，可根據(jù)檢測(cè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率來(lái)進(jìn)行。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率為正值，

14、并大于蓄電池額定功率，且△P/△t>0時(shí)，可以判斷為電動(dòng)自行車(chē)處于啟動(dòng)、爬坡或過(guò)載狀態(tài)，此時(shí)，應(yīng)降低蓄電池控制電路PWM的占空比，用以降低蓄電池的出力；同時(shí)應(yīng)增加超級(jí)電容控制電路PWM的占空比，用以增加超級(jí)電容的出力；當(dāng)功率為正，且小于蓄電池額定功率時(shí)，可以判斷為電動(dòng)車(chē)處于平地行駛工作狀態(tài)；當(dāng)功率為負(fù)，且△P/△t<0時(shí)，電動(dòng)車(chē)處于剎車(chē)狀態(tài)，超級(jí)電容充電，接受回饋能量。 </p><p>　　4 控制

15、電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　本文以TMS320F28335為核心控制器，設(shè)計(jì)了電動(dòng)自行車(chē)雙電源控制電路系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)控制策略。在該方案中，超級(jí)電容和蓄電池的電壓不相等，蓄電池的電壓為48V，超級(jí)電容的電壓為36V，并通過(guò)雙向DC/DC逆變器再與蓄電池并聯(lián)。硬件電路示意圖如圖1所示：圖中功率檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)雙電源輸出側(cè)功率Pc、Pb以及電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率P。當(dāng)處于啟動(dòng)、爬坡和過(guò)載狀態(tài)時(shí)，DSP對(duì)雙向DC/DC變換器

16、輸出升壓PWM波形，變換器工作在升壓模式，超級(jí)電容將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，于此同時(shí)，DSP對(duì)蓄電池控制電路的PWM占空比進(jìn)行控制，以保證蓄電池的輸出功率在額定功率之內(nèi)。當(dāng)電機(jī)處于減速或剎車(chē)狀態(tài)時(shí)，DSP對(duì)雙向DC/DC變換器輸出降壓PWM波形，同時(shí)切斷蓄電池的供電回路，雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，將再生制動(dòng)的能量回饋至超級(jí)電容器儲(chǔ)存。 </p><p>　　圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖 </p>&l

17、t;p>　　功率檢測(cè)可采用MAX4211芯片，芯片成本低、功耗低，可形成一個(gè)高端直流功率/直流電流測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)利用精密電流檢測(cè)放大器來(lái)檢測(cè)電流，再利用片內(nèi)乘法器計(jì)算出功率，該系統(tǒng)的連接對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的接地通路不構(gòu)成影響，特別適合于檢測(cè)電池供電系統(tǒng)的功率及電流。測(cè)量誤差低于1.5%，測(cè)量范圍4-28V，電源電壓范圍2.7-5.5V，工作電流670微安。 </p><p>　　控制策略流程圖如圖2所示： <

18、/p><p>　　圖2 雙電源控制策略流程圖 </p><p>　　本設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)了MATLAM的仿真，并在實(shí)驗(yàn)室制作了控制器應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)控制試驗(yàn)，超級(jí)電容選用北京集星公司的產(chǎn)品，額定電壓為12V，電容容值1.2F，三組電容串聯(lián)36V，蓄電池采用4個(gè)12V串聯(lián)48V，試驗(yàn)用自行車(chē)為綠源自行車(chē)，試驗(yàn)證明了控制策略的有效性。在本設(shè)計(jì)方案中，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC/DC與蓄電池并聯(lián)，超級(jí)電容的端電

19、壓沒(méi)有與蓄電池電壓相等的限制，所以工作電壓范圍更廣，超級(jí)電容能釋放出更多的能量。 </p><p><b>　　5 結(jié)論 </b></p><p>　　本文提出了一種超級(jí)電容器與蓄電池組合構(gòu)成雙電源供電系統(tǒng)，應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)供電，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)，可以使超級(jí)電容能釋放出更多的電能；討論了電動(dòng)自行車(chē)的運(yùn)行工況，確定了超級(jí)電容器與蓄電池的控制策

20、略，使蓄電池在任何情況下都工作于額定功率以下的最佳工作狀態(tài)，有效的保證了蓄電池免受沖擊，能有效的延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。通過(guò)試驗(yàn)證明了該設(shè)計(jì)的可行性和有效性，隨著超級(jí)電容的不斷開(kāi)發(fā)和價(jià)格的下降，組合電源運(yùn)用于電動(dòng)自行車(chē)將具有較好的發(fā)展前景。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]胡毅，陳軒恕，杜硯.超級(jí)電容器的應(yīng)用與發(fā)展[J].

21、電力設(shè)備，2008.9（1）. </p><p>　　[2]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級(jí)電容器的原理及應(yīng)用[J].電子元件與材料，2008.27（4）. </p><p>　　[3]薛龍均，于洪濤.超級(jí)電容器及其在電動(dòng)自行車(chē)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)自行車(chē)，2010，8：52-54. </p><p>　　[4]陳立超，張昕，張欣.超級(jí)電容式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)控制策略的研

22、究[J].北京汽車(chē)，2011，2：9-14. </p><p>　　[5]張淼.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)復(fù)合電源設(shè)計(jì)與控制策略的研究[D].蘇州：江蘇大學(xué)，2009. </p><p>　　[6]Holger Giese， Matthias Meyer， Robert Wagner. A Prototype for Guideline Checking and Model Transformati