超级电容蓄电池混合模组
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收稿 日期 ：０ ０—１ ２１ １—１ ． ６ 基金项 目： 辽宁省教育厅科学 技术研究项 目（ ｏ２ ０ Ａ ４ ． Ｎ ：０９ ０４）
作者简介 ： 郭兆正 （９ ６ ， ， １６ 一） 男 副教授 ， 事 自 从 动控制方面的科研教学工作
于 鹏（ ９７一） 男 ， １７ ， 讲师 ， 从事 自动控制方面的科研教学工作 ．
超级 电容蓄 电池混合模组
郭 信息科学与工程学院 ，辽 宁 锦州 １ １０ ） ２ ０ ０
摘
要 ：指 出 了蓄 电池的 某些局 限性 ，提 出超级 电容 与蓄 电池组 成混合模 组 的方 法。 这
种方 法 简单 实用 ，可以改善 蓄 电池使 用环境 ，形 成 的控 制 电路 便 于提 高蓄 电池使 用寿命 ，提
高混 合模 组功 率 密度 ，特 别 适 合 于设 计 电动 自行 车的 电源 电路 。介 绍 了混合 模 组 的控 制 策
略 ，根 据对 混合模 组在 电动 车 中应 用工况 的分析 ，设计 了控制 电路 。应 用计 算机 仿 真说 明 了
混合模 组控 制 器的具 体 实现 。给 出了控 制 器作 用下超级 电容 和蓄 电池模 组 的电流 波形 。
Ｔ１
直 流 电机在 启 动 时启动 电流为 Ｉ 。其 中 Ｒ ＝ 是 电枢 电 阻 。在 直 流 电机 启 动 的初 始 时 刻 ， 由于
ｎ ａ
电机 电枢 电阻很 小 ， 动 电流 Ｉ很大 ， 启 如果 不加 控 制 甚 至可 达 额 定 电流 的 １ 到 ２ ０倍 ０倍 。 因此 ， 电池 蓄
第３ ２卷 第 １ 期 ２ １ 年 ３ 月 ０１
渤海大 学学报 （自然科 学版 ）
Ｊｕ ａ ｏ ｏａ Ｕ ｉ ｒ ｔ （ ａ ｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒｌ ｆ ｈｉ ｎｖ ｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｎ Ｂ ｅｉ ｕｌ ｅ ｉ
Ｖｏ ． ３２ № ． １ １ Ｍａ． ２ ｌ ｒ ０ｌ
必须 提供 启 动瞬 间大 功 率 ， 动 机才 可能启 动 ， 倍率放 电将对 蓄 电池产 生 明显 的损 伤 ¨ 。 发 高 ］ 在实 际使 用 中 ， 动 电流 一般 根据 具 体 情况 得 到 限 制 。一 般 应 当 限 制在 额定 电流 的 １５倍 到 ２ ５ 启 ． ． 倍 之 间 。根据 电动 车 辆在 城市 道路 中运 行 状况 的标 准 模 型 可 以知 道 ， 电动 车 辆 在城 市 中运 行存 在 大 量
铅酸电池的新应用中具有代表性。本文以电动车用铅酸电池为对象进行研究。传统领域 比如汽车用电
池 ， 短时 间放 电之后 就进入 充 电状态 。而新 领域 的 电动车辆 应用 ， 在 车辆 运行 时铅酸 电池 主要 工作 在 大
电流放 电状态 ， 这样 的状态 下铅 酸 电池 极板 产生 了硫酸 盐化 即硫化 现象 。硫 酸盐 化 的原 因是 多方 面 在 的 。其 中的主要原 因是 电池持 续过放 电 ， 常过 量放 电 ， 电流 深放 电 。 经 小
的 随机启 动关 闭 过程 和 随机 的负 荷瞬 间增 大过 程 。虽 然 蓄 电池 一 般 可 以承 受 瞬 间大 电 流放 电 ， 是 经 但
常性 的大 电 流放 电对 电池 寿命 有不 利影 响 。大 电流工作 增 加 了 ５ ％ 的放 电深度 ， ０ 电池会 ：速 硫化 。 匀 １ 】 当蓄 电池 被过 度放 电到其 电压 过低 时 ， 负极 上形 成 的硫 酸 盐越 多 ， 电池 的 内阻越 大 ， 电池 的 在 蓄 蓄
第１ 期
郭 兆正
于
鹏： 超级 电容 蓄 电池 混合模 组
５ ｌ
在 上述 三种 情 况 中 ， 酸 电池经 常 过量 放 电的情 况 与 电动车 辆 的工作 状态 有关 。研 究 表 明 ， 铅 电动 车辆 在
城 市 中运行 时 ， 其直 流 母线 电流波 动变 化频 繁 。这种 现 象 与 电 动 车辆 的运 行 状态 和直 流 电机 的性 能 有 关 。当电动 车辆 启 动 ， 上坡 ， 风或 载重 运行 的 时候 ， 顶 直流 电机 中的 电流都会 增 大 。特别 是 电机 启 动 时 ， 电流会有 一 个 突变 到大 电流又 回复 到额 定值 的过 程 。
产业 提供 了更 多 的市场份 额 。 铅 酸 电池 的进 一步 推广使 用也 有一个 瓶颈 ， 是铅 酸 电池 的寿 命 比较 短 。很 多 电动 车使 用 的铅 酸 就
电池在 一年左 右需要 更换 。铅 酸 电池 的寿命 问题影 响 电动 车辆 的普及 使用 。 铅 酸电池 在传统 应用 领域 （ 比如 汽车用 蓄 电池 ） 用 寿命 较长 ， 在 电动 车等 一些 新 领域 使用 寿 命 使 但 明显 缩短 。这 个现象 与铅 酸 电池 在新 领域 中应用 的具体 工 况 有关 。电动 车运 行 工 况变 化 随机 性 强 ， 在
关键 词 ：超级 电容 ： 酸 电池 ；混合模 组 铅
中图分类 号 ： ２ １ ０ １
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：６ ３—０ ６ （ ０ １ ０ — ０ ０— ５ １７ ５９ ２ １ ） １ ０ ５ ０
本文 分析 了铅 酸 电池 ， 超级 电容 的优缺 点 ， 在此基 础上设 计 了超级 电容铅 酸 蓄电池 混合模 组 的 主 电 路结 构 。这 种混 合模 组 电路 结构 简单 ， 成本 低 ， 中根 据 电动 车典 型工况 提 出了混合 模组 控 制策 略 。这 文 种控 制策 略便 于控制 电路对 电动车运 行工 况进行 区分 ， 于应 用 到实 际 电路 中形成 具 体 算法 。并 分 析 易 了混合 模组 电路 的工作 原理 和设 计要 点 ， 出 了仿 真波形 。 给
一
、
铅 酸 电池 在 应用 中的 主要 问题
铅 酸蓄 电池 能量密 度大 ， 全性 高 ， 安 电性 能 稳定 ， 造 成 本 低 ， 低成 本 再 生 利用 ， 用 领 域 广 泛 。 制 可 应
太 阳能 、 风能 、 地热 能 、 汐能 等可再 生能 源 的的进一 步 开发 利 用 和 电动 汽 车产业 的发 展 给铅 酸 蓄 电池 潮
作者简介 ： 郭兆正 （９ ６ ， ， １６ 一） 男 副教授 ， 事 自 从 动控制方面的科研教学工作
于 鹏（ ９７一） 男 ， １７ ， 讲师 ， 从事 自动控制方面的科研教学工作 ．
超级 电容蓄 电池混合模组
郭 信息科学与工程学院 ，辽 宁 锦州 １ １０ ） ２ ０ ０
摘
要 ：指 出 了蓄 电池的 某些局 限性 ，提 出超级 电容 与蓄 电池组 成混合模 组 的方 法。 这
种方 法 简单 实用 ，可以改善 蓄 电池使 用环境 ，形 成 的控 制 电路 便 于提 高蓄 电池使 用寿命 ，提
高混 合模 组功 率 密度 ，特 别 适 合 于设 计 电动 自行 车的 电源 电路 。介 绍 了混合 模 组 的控 制 策
略 ，根 据对 混合模 组在 电动 车 中应 用工况 的分析 ，设计 了控制 电路 。应 用计 算机 仿 真说 明 了
混合模 组控 制 器的具 体 实现 。给 出了控 制 器作 用下超级 电容 和蓄 电池模 组 的电流 波形 。
Ｔ１
直 流 电机在 启 动 时启动 电流为 Ｉ 。其 中 Ｒ ＝ 是 电枢 电 阻 。在 直 流 电机 启 动 的初 始 时 刻 ， 由于
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电机 电枢 电阻很 小 ， 动 电流 Ｉ很大 ， 启 如果 不加 控 制 甚 至可 达 额 定 电流 的 １ 到 ２ ０倍 ０倍 。 因此 ， 电池 蓄
第３ ２卷 第 １ 期 ２ １ 年 ３ 月 ０１
渤海大 学学报 （自然科 学版 ）
Ｊｕ ａ ｏ ｏａ Ｕ ｉ ｒ ｔ （ ａ ｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒｌ ｆ ｈｉ ｎｖ ｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｎ Ｂ ｅｉ ｕｌ ｅ ｉ
Ｖｏ ． ３２ № ． １ １ Ｍａ． ２ ｌ ｒ ０ｌ
必须 提供 启 动瞬 间大 功 率 ， 动 机才 可能启 动 ， 倍率放 电将对 蓄 电池产 生 明显 的损 伤 ¨ 。 发 高 ］ 在实 际使 用 中 ， 动 电流 一般 根据 具 体 情况 得 到 限 制 。一 般 应 当 限 制在 额定 电流 的 １５倍 到 ２ ５ 启 ． ． 倍 之 间 。根据 电动 车 辆在 城市 道路 中运 行 状况 的标 准 模 型 可 以知 道 ， 电动 车 辆 在城 市 中运 行存 在 大 量
铅酸电池的新应用中具有代表性。本文以电动车用铅酸电池为对象进行研究。传统领域 比如汽车用电
池 ， 短时 间放 电之后 就进入 充 电状态 。而新 领域 的 电动车辆 应用 ， 在 车辆 运行 时铅酸 电池 主要 工作 在 大
电流放 电状态 ， 这样 的状态 下铅 酸 电池 极板 产生 了硫酸 盐化 即硫化 现象 。硫 酸盐 化 的原 因是 多方 面 在 的 。其 中的主要原 因是 电池持 续过放 电 ， 常过 量放 电 ， 电流 深放 电 。 经 小
的 随机启 动关 闭 过程 和 随机 的负 荷瞬 间增 大过 程 。虽 然 蓄 电池 一 般 可 以承 受 瞬 间大 电 流放 电 ， 是 经 但
常性 的大 电 流放 电对 电池 寿命 有不 利影 响 。大 电流工作 增 加 了 ５ ％ 的放 电深度 ， ０ 电池会 ：速 硫化 。 匀 １ 】 当蓄 电池 被过 度放 电到其 电压 过低 时 ， 负极 上形 成 的硫 酸 盐越 多 ， 电池 的 内阻越 大 ， 电池 的 在 蓄 蓄
第１ 期
郭 兆正
于
鹏： 超级 电容 蓄 电池 混合模 组
５ ｌ
在 上述 三种 情 况 中 ， 酸 电池经 常 过量 放 电的情 况 与 电动车 辆 的工作 状态 有关 。研 究 表 明 ， 铅 电动 车辆 在
城 市 中运行 时 ， 其直 流 母线 电流波 动变 化频 繁 。这种 现 象 与 电 动 车辆 的运 行 状态 和直 流 电机 的性 能 有 关 。当电动 车辆 启 动 ， 上坡 ， 风或 载重 运行 的 时候 ， 顶 直流 电机 中的 电流都会 增 大 。特别 是 电机 启 动 时 ， 电流会有 一 个 突变 到大 电流又 回复 到额 定值 的过 程 。
产业 提供 了更 多 的市场份 额 。 铅 酸 电池 的进 一步 推广使 用也 有一个 瓶颈 ， 是铅 酸 电池 的寿 命 比较 短 。很 多 电动 车使 用 的铅 酸 就
电池在 一年左 右需要 更换 。铅 酸 电池 的寿命 问题影 响 电动 车辆 的普及 使用 。 铅 酸电池 在传统 应用 领域 （ 比如 汽车用 蓄 电池 ） 用 寿命 较长 ， 在 电动 车等 一些 新 领域 使用 寿 命 使 但 明显 缩短 。这 个现象 与铅 酸 电池 在新 领域 中应用 的具体 工 况 有关 。电动 车运 行 工 况变 化 随机 性 强 ， 在
关键 词 ：超级 电容 ： 酸 电池 ；混合模 组 铅
中图分类 号 ： ２ １ ０ １
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：６ ３—０ ６ （ ０ １ ０ — ０ ０— ５ １７ ５９ ２ １ ） １ ０ ５ ０
本文 分析 了铅 酸 电池 ， 超级 电容 的优缺 点 ， 在此基 础上设 计 了超级 电容铅 酸 蓄电池 混合模 组 的 主 电 路结 构 。这 种混 合模 组 电路 结构 简单 ， 成本 低 ， 中根 据 电动 车典 型工况 提 出了混合 模组 控 制策 略 。这 文 种控 制策 略便 于控制 电路对 电动车运 行工 况进行 区分 ， 于应 用 到实 际 电路 中形成 具 体 算法 。并 分 析 易 了混合 模组 电路 的工作 原理 和设 计要 点 ， 出 了仿 真波形 。 给
一
、
铅 酸 电池 在 应用 中的 主要 问题
铅 酸蓄 电池 能量密 度大 ， 全性 高 ， 安 电性 能 稳定 ， 造 成 本 低 ， 低成 本 再 生 利用 ， 用 领 域 广 泛 。 制 可 应
太 阳能 、 风能 、 地热 能 、 汐能 等可再 生能 源 的的进一 步 开发 利 用 和 电动 汽 车产业 的发 展 给铅 酸 蓄 电池 潮
