超級電容器與蓄電池并聯(lián)混合電源放電特性

葛智元，周立新，趙巍，王克儉，王毅，劉帥，高慶

（1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.天津藍(lán)天電源公司，天津 300384；3.海軍裝備部，北京 100841）

超級電容器與蓄電池并聯(lián)混合電源放電特性

葛智元1,2，周立新1,2，趙巍1,2，王克儉1,2，王毅1,2，劉帥2，高慶3

（1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.天津藍(lán)天電源公司，天津 300384；3.海軍裝備部，北京 100841）

綜述了超級電容器與蓄電池組成混合電源的研究現(xiàn)狀，研究了超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)組成的混合電源在不同配置比例、不同電流和不同溫度下的放電特性，并測量了混合電源的自放電性能。

超級電容器；蓄電池；混合；并聯(lián)

超級電容器又叫雙電層電容器、電化學(xué)電容器，它是一種性質(zhì)介于靜電電容器和電池之間的新型電化學(xué)儲能元件，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的儲能元件。鉛酸蓄電池是目前技術(shù)最成熟、使用量最大的廉價規(guī)模儲能元件，廣泛應(yīng)用于電力、通信、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。與蓄電池相比，超級電容器具有比功率高、低溫性能穩(wěn)定、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，但是其比能量較低，不適于單獨作為大規(guī)模電能存貯裝置用。如果將超級電容器與蓄電池并聯(lián)混合使用，就可以將超級電容器功率特性與蓄電池的能量特性相結(jié)合，有可能滿足具有瞬時功率需求的能量存貯應(yīng)用，比如汽車啟動SLI電池、風(fēng)電儲能等。本文綜述了超級電容器與蓄電池組成混合電源的研究現(xiàn)狀，研究了超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)組成的混合電源在不同配置比例、不同電流和不同溫度下的放電特性，并測量了混合電源的自放電性能。

1 混合電源的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外科技工作者進行了將兩者聯(lián)合組成混合電源的研究。

美國的R.A.Dougal等分析指出超級電容與電池并聯(lián)使用能夠提高充放電功率，同時能夠延長蓄電池的使用壽命[1]。美國的S.Pay等將超級電容器與鉛酸蓄電池并聯(lián)應(yīng)用在電動汽車中，表明超級電容器能夠輔助加速/減速，采用功率控制器并聯(lián)能夠有更優(yōu)的性能[2]。日本三重大學(xué)Yan Jia等研究了在獨立新能源系統(tǒng)中采用超級電容器與鉛酸蓄電池并聯(lián)使用來應(yīng)對由于天氣變化引起的功率波動，從而延長蓄電池使用壽命的方法[3]。以色列的Alon Kuperman提出了超級電容器與蓄電池組成混合電源的設(shè)計思路[4]。愛爾蘭的M.E.Glavin提出了鉛酸蓄電池、超級電容器組成混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于獨立光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[5]。

在我國，科技工作者嘗試將超級蓄電池和蓄電池混合電源應(yīng)用到汽車起動等脈沖功率負(fù)載中。合肥工業(yè)大學(xué)張炳力等人研究在汽車起動中應(yīng)用超級電容器輔助蓄電池起動[6]。華中科技大學(xué)張丹丹等人研究了超級電容器、蓄電池復(fù)合電源脈沖系統(tǒng)的性能[7]。李韶杰建立了超級電容器蓄電池混合電源的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了影響混合電源峰值輸出功率的因素，并通過實驗驗證了混合電源的峰值輸出功率性能[8]。

科學(xué)工作者已經(jīng)開展了將超級電容器應(yīng)用于風(fēng)電場的輸出中以改善風(fēng)電輸出質(zhì)量的研究和應(yīng)用實驗[9]，并研究了將超級電容器和蓄電池混合電源應(yīng)用于電力等儲能領(lǐng)域的可能性。東北電力大學(xué)張振浩等對超級電容器蓄電池混合儲能進行了研究，結(jié)合電廠實例進行了混合儲能系統(tǒng)的設(shè)計和仿真，證明能夠提高大功率性能[10]。中科院電工所唐西勝等提出了在儲能應(yīng)用（微網(wǎng)、太陽能電站）中使用超級電容器與蓄電池并聯(lián)，可以提高系統(tǒng)比功率，避免蓄電池瞬間大功率充電或放電[11-13]。王斌等通過建立數(shù)學(xué)模型和軟件仿真分析了混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于獨立光伏電站儲能的運行特性，結(jié)果表明混合儲能系統(tǒng)在光伏輸入功率大幅波動以及負(fù)載突變時具有很好的穩(wěn)定性[14]。

此外，我國的一些汽車發(fā)燒友將超級蓄電池直接并聯(lián)到汽車電池上，用于輔助汽車起動[15]。

2 混合電源的結(jié)構(gòu)

按照超級電容器與蓄電池的聯(lián)接組合方式，混合電源的結(jié)構(gòu)可以分為直接并聯(lián)、通過電感并聯(lián)和通過功率變換器并聯(lián)等幾種方式[16]。

直接并聯(lián)屬于無源并聯(lián)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點。但是由于超級電容器的工作電壓強制與蓄電池相同，因此超級電容器的實際利用率低，系統(tǒng)配置也不夠靈活。

通過電感器并聯(lián)，是對直接并聯(lián)方式的改進，也是一種無源并聯(lián)方式。這種連接結(jié)構(gòu)通過電感濾波對蓄電池的輸出電流進行濾波，降低電流紋波，以減小內(nèi)部發(fā)熱和能量損耗。同樣，這種方式也存在超級電容器實際利用率低、系統(tǒng)配置不夠靈活的缺點。

通過功率變換器并聯(lián)，是一種有源并聯(lián)方式，功率變換器可設(shè)計為降壓或升壓式，以對蓄電池和超級電容器進行電壓匹配。這種并聯(lián)混合電源系統(tǒng)在工作過程中由超級電容器向脈動負(fù)載提供瞬時功率，而蓄電池通過功率變換器以恒流輸出方式工作。這種并聯(lián)方式具有超級電容器能量利用充分、系統(tǒng)設(shè)計靈活的優(yōu)點，但系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，因此系統(tǒng)可靠性也顯著降低。

表1列出了混合電源不同結(jié)構(gòu)的比較。

表1 混合電源不同結(jié)構(gòu)比較

3 實驗

3.1 實驗準(zhǔn)備

實驗采用的蓄電池由天津藍(lán)天電源公司研制，其型號包括：6FM 24（12 V 24 Ah）、6FM 38（12 V 38 Ah）、6FM 60（12 V 60Ah）。采用的超級電容器由美國MAXWELL公司生產(chǎn)，其型號為16.2 V/58 F。

實驗中超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)，在超級電容器回路和蓄電池回路及總輸出回路接入高精度分流器，用以測量各回路電流。

實驗采用美國Arbin公司BT-2000型電池測試系統(tǒng)充電并測試電源容量，采用惠州新科華實業(yè)有限公司生產(chǎn)的微電腦多功能檢測機進行放電，采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀采集超級電容器、蓄電池電壓和各分流器電壓。放電前，混合電源均在常溫下充電成滿荷電狀態(tài)。

3.2 超級電容器與不同容量電池并聯(lián)后放電性能測試

在常溫下，將單只超級電容器分別與單只12 V 24 Ah、 12 V 38 Ah、12 V 60 Ah蓄電池并聯(lián)組成混合電源，用190 A間歇式（放30 s停30 s）放電方式放電至電源電壓低于7.2 V時停止放電。通過測量混合電源總電流、超級電容器電流、蓄電池電壓以及超級電容器電壓等對混合電源放電性能進行測試和分析。

3.3 混合系統(tǒng)在常溫下的放電性能測試

在常溫下，將單只超級電容器與單只12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)組成混合電源，分別用72、120、190和240 A間歇式（放30 s停30 s）放電方式放電至電源電壓分別低于8.4、7.2、7.2和6.0 V時停止放電。通過測量混合電源總電流、超級電容器電流、蓄電池電壓以及超級電容器電壓等對混合電源性能進行測試和分析。

3.4 混合系統(tǒng)在低溫下的放電性能

在低溫－40℃下（放置8 h以上），將單只超級電容器與單只12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)組成混合電源，分別用120和190 A間歇式（放30 s停30 s）電流給系統(tǒng)放電至電源放電電壓分別低于7.2和6.0 V時停止放電。通過測量混合電源總電流、超級電容器電流、蓄電池電壓以及超級電容器電壓等對混合電源性能進行測試和分析。

3.5 混合電源自放電性能測試

在常溫下，將單只超級電容器與單只12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)組成混合電源，用2.4 A連續(xù)放電至10.8 V，測得混合電源10小時率容量并充滿電，然后放置28天后測試剩余容量進而確定自放電率，放置期間每天測量混合電源開路電壓。

同時，采用同批次的單只12 V 24 Ah電池，測量容量并充滿電，然后放置28天后測試剩余容量確定自放電性能，放置期間每天測量蓄電池開路電壓。

4 結(jié)果與討論

4.1 超級電容器與不同容量電池并聯(lián)后放電性能

（1）12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以190 A放電

圖1所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

（2）12 V 38 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以190 A放電

圖1 12 V 24 Ah+16 V 58 F@190 A放電

圖2所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。圖3所示是第一個放電周期內(nèi)蓄電池電壓及超級電容器電壓變化情況。

圖2 12 V 38 Ah+16 V 58 F@190 A放電

圖3 12 V 38 Ah+16 V 58 F@190 A放電第一周期

（3）12 V 60 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器190 A放電

圖4所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

圖4 12 V 60 Ah+16 V 58 F@190 A放電

由圖1～圖4可以看出，系統(tǒng)放電時由蓄電池和超級電容器共同放電，而在間歇期間蓄電池給超級電容器充電；隨著蓄電池荷電狀態(tài)降低，超級電容器充電（間歇期間）電流逐漸增大，顯示超級電容器由于電壓波動范圍加大而出現(xiàn)更大電流的充電。放電期間，超級電容器的電壓略低于蓄電池電壓。

根據(jù)充放電數(shù)據(jù)，為了比較蓄電池和超級電容器在放電過程中的表現(xiàn)，匯總了不同容量蓄電池混合電源放電過程中超級電容器放電占比情況，如表2所示。根據(jù)超級電容器放電量在前5、10和30 s內(nèi)放電量占比情況分析可知，超級蓄電池在放電期間優(yōu)先放電。在混合電源放電期間，隨著蓄電池荷電狀態(tài)的降低，超級電容器在整個放電周期內(nèi)的放電量占比增加，即在低荷電狀態(tài)下，超級蓄電池輔助放電的作用更加顯著。

表2 不同容量電池混合電源放電第一周期和最后一個周期電容器放電量占比

4.2 混合電源在不同放電電流下的性能

（1）12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以72A放電

圖5所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

圖5 12 V 24 Ah+16 V 58 F@72 A放電

（2）12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以120 A放電

圖6所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

圖6 12 V 24 Ah+16 V 58 F@120 A放電

（3）12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以190 A放電

圖1所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

（4）12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以240 A放電

圖7所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

由圖5、圖6、圖1和圖7可以看出，混合電源放電時由蓄電池和超級電容器共同放電，而在間歇期間蓄電池給超級電容器充電；超級電容器充電（間歇期間）電流隨著蓄電池荷電狀態(tài)的降低而逐漸增大；放電期間，超級電容器的電壓略低于蓄電池電壓。

表3匯總了混合電源在不同放電電流下在第一次和最后一次放電中超級電容器放電量占比情況，可以看出隨著放電電流的加大，超級電容器放電量占比減??；隨著蓄電池荷電狀態(tài)的降低，超級電容器的放電量占比增加。

圖7 12 V 24 Ah+16 V 58 F@240 A放電

表3 混合電源在不同放電電流下在第一次和最后一次放電中超級電容器放電量占比

表4列出了混合電源在不同放電電流下在第一次和最后一次放電中超級電容器充放電最大電流的變化情況，可以看出隨著放電電流的增加，超級電容的最大充放電電流均顯著增加。

表4 混合電源在不同放電電流下在第一次和最后一次放電周期中超級電容器充放電電流變化 A

4.3 混合電源在低溫下的放電性能

（1）－40℃條件下，12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以120 A放電

圖8所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

（2）－40℃條件下，12 V 24 Ah蓄電池并聯(lián)16 V 58 F超級電容器以190 A放電

圖9所示是放電總電流、超級電容器電流以及蓄電池電壓、超級電容器電壓變化情況。

由圖8、圖9可以看出，與蓄電池在低溫下容量顯著降低的表現(xiàn)相同，混合電池在低溫下放電時間也明顯縮短，超級電容器充放電電流顯著增加，發(fā)揮了更大的輔助放電作用；低溫下放電過程中，蓄電池和超級電容器之間的電壓差基本消失，顯示超級電容器有著更加優(yōu)越的低溫性能。

表5匯總了超級電容器放電量占比情況，由表5中數(shù)據(jù)可以看出，在低溫下，超級電容器放電量占總放電量的比重顯著增加。

圖8 －40℃下12 V 24 Ah+16 V 58 F@120 A放電

圖9 －40℃下12 V 24 Ah+16 V 58 F@190 A放電

表5 混合電源在低溫下放電時超級電容器放電量占比

表6列出了混合電源在低溫下超級電容器最大充放電電流的變化。從表6中數(shù)據(jù)可知，低溫下超級電容器的充放電電流明顯增加，與其在低溫下承擔(dān)更多輔助放電功能的特性相符合。

表6 混合電源在低溫下放電時超級電容器充放電電流變化 A

4.4 混合系統(tǒng)自放電性能

圖10所示是完全充電的混合電源（6FM 24/16.2 V 58 F）以及6FM 24蓄電池放置28天期間的開路電壓變化。同時，28天自放電測試結(jié)果顯示，12 V 24 Ah蓄電池的自放電率為6.5%，而12 V 24 Ah蓄電池與超級電容器組成的混合電源的自放電率為13.5%。

由此可知，超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)后，混合電源與未并超級電容器的蓄電池相比，自放電率有所提高。隨著超級電容器的增大，系統(tǒng)自放電率將隨之增大。因此，合理配置超級電容器與蓄電池的比例，對于混合電源的正常使用有重要的意義。

圖10 混合電源和蓄電池28天常溫放置電壓變化

5 結(jié)論

由超級電容器與蓄電池直接并聯(lián)后的測試結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）直接并聯(lián)組成的混合電源的放電測試表明：在脈沖放電期間超級電容器首先放電，靜置階段蓄電池給超級電容器充電；

（2）在5 s以內(nèi)的脈沖放電情況下，混合電源中配置更大的超級電容器能夠輸出更多的能量；

（3）超級電容器與鉛酸電池組成混合電源，可以輔助提高蓄電池的功率輸出；

（4）混合電源在低荷電狀態(tài)下和低溫下的大電流放電性能優(yōu)于蓄電池；

（5）混合電源的自放電較蓄電池的自放電更大。

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Discharging performanceof hybrid powerof supercapacitor in parallel w ith lead acid battery

GEZhi-yuan1,2,ZHOU Li-xin1,2,ZHAOWei1,2,WANG Ke-jian1,2,WANG Yi1,2,LIU Shuai2,GAOQing3

The research status of supercapacitor/lead acid battery hybrid powerwas retrospected.The discharging performance of supercapacitor directly parallelw ith lead acid battery hybrid power at different configuration ratios, discharging currents and temperatures was studied.The self-discharging performance of hybrid power was studied.

supercapacitor;lead acid battery;hybrid;parallelconnection

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0886-04

2013-12-12

葛智元（1976—），男，甘肅省人，工程師，主要研究方向為儲能電池及電池管理系統(tǒng)。