隨著科技的高速發(fā)展，各種數(shù)字移動設(shè)備、便攜式電子儀器越來越多，隨之而來的是對電源的性能提出了越來越高的要求，蓄電池由于具有技術(shù)成熟、性能可靠的特點被社會廣泛應(yīng)用，普遍看來這些電子設(shè)備的負(fù)載都具有脈動性的特點，峰值功率很高但平均功率較低。但由于蓄電池功率密度小、無法快速充放電且循環(huán)壽命短，因此蓄電池必須要有很大的容量才能夠滿足峰值功率的需求，這樣就造成了蓄電池容量的浪費和造成電池體積過于龐大帶來的諸多不便。

　　【摘要】超級電容器與蓄電池的混合使用，不僅可以充分發(fā)揮蓄電池能量大和超級電容器循環(huán)壽命長、充發(fā)放電快速的優(yōu)點，而且可以顯著降低電源內(nèi)部的消耗，提高了電池的使用壽命，大大提升了混合電源的性能。本文通過建立超級電容器蓄電池混合電源的數(shù)學(xué)模型，定量地分析了影響混合電源性能的因素以及對性能方面的改善措施。分析結(jié)果表明，脈動負(fù)載的周期、蓄電池的內(nèi)阻、超級電容器的內(nèi)阻、脈動負(fù)載的所占比以及超級電容器的容量和超級電容器的并聯(lián)支路數(shù)都是影響超級電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗和使用壽命的原因。

　　【關(guān)鍵詞】核心科技期刊投稿,超級電容器,蓄電池,混合電源

　　1引言

　　超級電容器是儲能器件在功率與能量上的結(jié)合，具有功率高、循環(huán)壽命長、比能量高、充放電效率高等優(yōu)點。如果將超級電容器與蓄電池混合使用，無疑會使電能儲能裝置的性能得到大大提高。一些參考文獻中指出，將超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用，可以使混合電源的負(fù)載適應(yīng)能力尤其對大功率脈動的負(fù)載有較大的提高，一方面可以有效降低蓄電池的內(nèi)部消耗、增加使用壽命，另一方面還可以減小電源的體積，改善了其經(jīng)濟性和可靠性。

　　本文通過建立超級電容器蓄電池混合電源的數(shù)學(xué)模型，分析了超級電容器對蓄電池峰值功率改善的作用及影響因素，并通過構(gòu)建實驗進行驗證。

　　2模型分析

　　超級電容器蓄電池混合電源是將超級電容器和蓄電池并聯(lián)起來作為脈動負(fù)載的電源。研究者為了使分析過程簡化，可以將蓄電池的模型簡化為理想電壓源與等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于該模型主要考慮的是系統(tǒng)的動態(tài)性能，所以可以不考慮并聯(lián)內(nèi)阻。在高頻情況下由于存在分布電感，所以此模型的分析結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差。但由于實際應(yīng)用時超級電感器蓄電池混合電源的工作周期一般為毫秒至秒級，所以該模型是可行的。若將該模型進行拉氏變換，并利用戴維寧定理簡化可得到另一種更加簡單的等效電路。

　　3內(nèi)部損耗分析

　　超級電容器蓄電池混合電源應(yīng)用于脈動負(fù)載時，負(fù)載電流的大部分由內(nèi)阻很小的超級電容器支路承擔(dān)，因此使得超級電容器與蓄電池混合電源中蓄電池的內(nèi)部損耗降低了，蓄電池的發(fā)熱量也大大減小，有效地延長了電池的使用壽命。

　　經(jīng)過整合分析結(jié)果，得出第一、當(dāng)負(fù)載占空比越小、周期越小時、功率節(jié)約因子越大，超級電容起蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗就越��；第二、超級電容器及蓄電池的等效串聯(lián)內(nèi)阻對功率節(jié)約因子的影響是：超級電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻越小，功率節(jié)約因子越大：蓄電池的等效內(nèi)阻越大，功率節(jié)約因子越大，超級電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部消耗就越小。第三、功率節(jié)約因子與超級電容器的電容量及等效串聯(lián)電阻的關(guān)系：當(dāng)超級電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻越小時，電容量越大，功率節(jié)約因子越大，超級電容器蓄電池混合電源的內(nèi)部損耗越小。當(dāng)電容量達到一定值時，功率節(jié)約因子會隨著電容量的變化趨于平穩(wěn)。第四、功率節(jié)約因子與超級電容器并聯(lián)支路數(shù)的關(guān)系：當(dāng)并聯(lián)支路數(shù)增加時，功率節(jié)約因子會隨之增大，但是在并聯(lián)支路數(shù)增大到一定程度時，功率比例因子的變化將趨于平穩(wěn)。

　　4運動時間分析

　　利用超級電容器蓄電池混合電源驅(qū)動脈動負(fù)載，由于蓄電池的內(nèi)部損耗降低了，因此延長了蓄電池的運行時間。使得超級電容器蓄電池混合電源與蓄電池單獨供電相比，節(jié)約了許多能量。并且混合電源與蓄電池單獨應(yīng)用相比，其運行時間得到了延長。時間延長率與三個因素有關(guān)，其中包括了功率節(jié)約因子，脈動負(fù)載占空比以及負(fù)載電流率。基于以上分析結(jié)果，研究人員對超級電容器蓄電池混合電源的運行時間進行了仿真。

　　整合分析后得出了超級電容起蓄電池混合電源的時間延長率與負(fù)載參數(shù)的的關(guān)系。第一、脈動負(fù)載的頻率越高，時間延長率就越大。第二，時間延長率還與脈動負(fù)載的占空比有關(guān)，占空比過小或過大時，時間延長率變小，并趨于零。一般情況下，時間延長率的最大值應(yīng)在占空比變化范圍內(nèi)，即在零至一的某個點變化，具體的要依附于頻率和負(fù)載電流率來決定。第三、隨著并聯(lián)支路的增加，超級電容器蓄電池混合電源的時間延長率變大了，當(dāng)并聯(lián)支路增加到一定值時，時間延長率的變化又將趨于平穩(wěn)。

　　實驗結(jié)果表明，超級電容器蓄電池混合電源在驅(qū)動脈動負(fù)載時，大部分的負(fù)載電流有超級電容器的支路分擔(dān)。由于超級電容器的功率密度大，電流輸出能力強。使得混合電源的峰值輸出功率明顯比單獨使用蓄電池有顯著提高。當(dāng)脈動負(fù)載停止工作后，蓄電池組繼續(xù)輸出電流，給超級電容器組充電。

　　由上述分析可知，超級電容起蓄電池混合電源不僅降低了蓄電池的輸出電流峰值，而且抑制了端電壓的跌落，其作用相當(dāng)于使蓄電池的等效源阻抗降低了，提高了蓄電池的動態(tài)響應(yīng)能力，是電源在驅(qū)動脈動負(fù)載使得內(nèi)部損耗降低，放電效率得到提高，放電時間得以延長。

　　5總結(jié)

　　本文建立了超級電容器蓄電池并聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，針對負(fù)載為脈動的情況對混合電源在峰值功率的提升等方面進行了分析，并對幾種主要的結(jié)構(gòu)進行分析和驗證，得到了以下幾點結(jié)論：第一、超級電容起蓄電池混合電源在工作時，超級電容器和蓄電池同時向負(fù)載提供電流，且負(fù)載電流主要由超級電容器提供。在負(fù)載停止工作期間，蓄電池對超級電容器充電。第二、超級電容起蓄電池混合電源的峰值輸出功率與脈動負(fù)載的周期、占空比、蓄電池內(nèi)阻、超級電容器內(nèi)阻、超級電容器的容量和并聯(lián)支路數(shù)有著密切的聯(lián)系。第三、采用超級電容器可以補償蓄電池的電流，使得本來應(yīng)與負(fù)載電流相等的蓄電池輸出電流得以下降，緩解了蓄電池輸出電流過大的壓力。第四、超級電容器蓄電池混合電源十分適宜用于功率很高但平均功率較低的脈動功率負(fù)載。

　　在實際應(yīng)用中我們要有效的利用超級電容器蓄電池混合電源的優(yōu)勢，可通過功率變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)配置具有很大的靈活性，從而更好地有優(yōu)化蓄電池的工作。并且由于功率增強能力與混合電源自身的參數(shù)和負(fù)載參數(shù)有關(guān)，所以在實際的應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況合理的配置超級電容器組的結(jié)構(gòu)，在滿足系統(tǒng)要求的情況下實現(xiàn)混合電源的經(jīng)濟性和實用性。

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