定稿日期：2009-09-17
作者简介：闫晓金（1982-），男，辽宁庄河人，硕士，研究方向
1引言
环境污染、能源危机引起了世界范围内的汽车动力系统革命。为保护环境、节约能源、改善能源结构，发展混合动力汽车势在必行。通过电动汽车的研究高潮，全球汽车行业正走向“节油、低排放”时代，今后混合动力将成为替代纯燃油动力的重要方式。世界知名汽车厂商技术专家指出：超级电容器与电池组成的复合电源必将是未来清洁能源汽车的最佳动力方案，而超级电容器-电池复合电源技术正成为混合动力汽车研究领域的重点研究方向。 2
2.1
蓄电池的不足
相对超级电容器，蓄电池最大优点是能量密度
高。但同时存在低温特性差和高倍率放电会大幅缩短寿命这两个不足。在低温环境下蓄电池会出现起初不能启动或动力不足的严重问题，这是蓄电池本身原理所决定的。另外，混合动力汽车在加速、爬坡、启动过程中需要蓄电池提供短时大功率电能，即由蓄电池提供高倍率的放电电流[1]。由于蓄电池的高倍率电流放电导致寿命缩短，需经常更换，使混合动力 汽车经济性能变差。即使采用最先进的“车用动力”蓄电池，也需付出价格高、制造难等代价。就蓄电池原理而言，不能从根本解决寿命问题。改善蓄电池寿命最好的解决方案就是降低蓄电池的放电电流倍率。
2.2超级电容器的优势
超级电容器是一种新型电荷储能元件，是基于
电容器储能原理，实现超级电容器的充放电过程。由于充放电过程中不存在电化学反应，因而不存在基于电化学原理储能所带来的问题。所以超级电容器具有可高倍率电流充放电和良好的低温特性[2]。
以国产的2.7V/600F 超级电容器为例，其尺寸仅为28mm ×60mm ×95mm ，额定电流150A ，峰值电流600A 。如此高倍率的放电电流，同体积的蓄电池是无法达到的，或者蓄电池本身将遭受极大的损
害。
与蓄电池相比，超级电容器具有非常高的功率密度，国产动力超级电容器的单体功率密度最高可达9.1kW/kg ，而“十一五”国家“863”计划要求蓄电池在2008年达到1kW/kg 。超级电容器在-40℃时的电特性与常温时的电特性基本一致，保证了超级电容器在低温状态下的优异性能。在能量密度方面，超级电容器的6Wh/kg 远远低于锂电池的80Wh/kg ；在保持动力持续方面超级电容器显得力不从心[3]。正常应用条件下，超级电容器的寿命为10年以上，完全充放电循环寿命可达10万次以上。
超级电容-蓄电池复合电源结构选型与设计
闫晓金1，潘
艳2，宁武3，陈永真3
（1.北华航天工业学院，河北廊坊
065000；2.北京鼎汉技术股份有限公司，北京
100070；
3.辽宁工业大学，辽宁锦州
121001）
摘要：系统分析了混合动力汽车用蓄电池的不足以及应用超级电容器的优势，研究了超级电容器与蓄电池构成复合电源的3种不同组成方式，指出将高功率密度的超级电容器与高能量密度的蓄电池通过功率DC/DC 变换器匹配，使之既可以输出/吸收高倍率电流的冲击，又可以满足多次高倍率电流所需的高能量密度。实验与仿真结果表明，双向
DC/DC 变换器的并联结构具有较好的效果和实用性。
关键词：混合动力汽车；超级电容器；复合电源；双向DC/DC 变换器中图分类号：U469.72
文献标识码：A
文章编号：1000-100X （2010）05-0075-03
Design and Analysis of the Structure of Ultracapacitor/Battery Hybrid System
YAN Xiao -jin 1，PAN Yan 2，NING Wu 3，CHEN Yong -zhen 3
（1.North China Institute of Aerospace Engineering ，Langfang 065000，China ；
2.Beijing Dinghan Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China ；
3.Liaoning University of Technology ，Jinzhou 121001，China ）
Abstract ：The shortage of storage battery and advantages of ultracapacitor are analyzed.Three main structures of ultraca -pacitor/battery hybrid system including directly connection ，connection via inductance and power convertor are put for -ward and analyzed in experiments.The matching with high power density of ultracapacitor and high energy density of bat -tery via power DC/DC convertor can absorb the striking of high rate current and satisfy high energy density needs for time after time high rate current.The experiments and simulations show that the connection via bidirectional DC/DC convertor has better performance and practicability.
Keywords ：hybrid electric vehicle ；ultra capacitor ；compound power supply ；bidirectional DC/DC convertor
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通过上述分析，若将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源系统，即能提高电源系统的短时高功率输出能力，也具备持久的动力性能。通过该组合，可充分发挥超级电容器的高功率密度和蓄电池的高能量密度优势，满足混合动力汽车在爬坡加速、启动过程中的动力需求[4]。
3超级电容-蓄电池复合电源
复合电源系统中超级电容器与蓄电池的并联方式一般可概括为直接并联、通过电感器并联和通过功率变换器并联3种。
3.1直接并联
在此结构中，由于蓄电池组和超级电容器组的端电压被强制相等，因而在设计中对超级电容器的组合方式要求较为严格，应根据蓄电池的电压等级，合理配置超级电容器组的结构参数。
该电路的特点是结构简单、成本低廉，可有效减小蓄电池在脉动负载时输出的最大电流，提高系统功率输出能力。在同等功率输出条件下，直接并联结构与蓄电池单独供电相比，更具可靠性和经济性。
但直接并联结构存在如下明显的缺点：①超级电容器组与蓄电池组必须保持端电压一致，而超级电容器与电池的充放电特性相差极大。由图1可见，超级电容器与蓄电池的充放电特性曲线仅有一小部分重合，从而导致了超级电容器组合方式的受限和容量利用率的降低；②由于混合系统的功率提升能力只取决于超级电容器和蓄电池的自身结构（主要是内阻），故在设计上缺乏灵活性，且当温度降低时，蓄电池的电解液粘度增大，向极板的渗透能力下降，导致内阻增加。同时，起动时会产生很大的电流，使蓄电池端电压明显下降；③端电压随着充放电过程变化较大，影响了负载工作性能；④脉动负载时蓄电池输出电流纹波较大，并在脉冲结束时达到最大值。
3.2通过电感器并联
该结构建立在直接并联的基础上，在蓄电池和超级电容器间配置一电感器，对蓄电池的输出电流进行滤波，降低电流纹波，以减小内部发热和能量损耗。
该结构对提高系统的功率输出能力、优化蓄电池的放电过程有较好的效果。但与直接并联结构类似，也存在着系统配置不灵活和端电压不可调等缺点。不过，由于电感器的滤波作用，蓄电池在负载脉动时的输出电流纹波降低了，进一步提高了蓄电池的放电效率，减小了内部能量损失，延长了放电时间。3.3通过功率变换器并联结构
蓄电池通过功率变换器（DC/DC）与超级电容器并联。由于功率变换器的变流作用，可以控制蓄电池的放电电流，提高复合电源性能。根据实际情况，功率变换器可设计为降压或升压式，以对蓄电池组和超级电容器组进行电压匹配。对于单向功率变换器，能量只从蓄电池流向超级电容器及负载；而对于双向功率变换器，蓄电池既可给超级电容器及负载供电，超级电容器端还可通过功率变换器给蓄电池充电[5]。
在工作过程中，由超级电容器组向脉动负载提供瞬时功率，而蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。对功率变换器的控制目标，是使其输出电流等于脉动负载电流的平均值。
由于功率变换器的存在，使得该结构与前两种结构相比具有较大的优势。首先，蓄电池组和超级电容器组的端电压可以不同，因而在设计上具有较大的灵活性；其次，由于可以通过功率变换器将蓄电池的输出电流限定到安全可靠的范围，因而能够大大提高系统的功率输出能力；另外，蓄电池基本上以恒流输出方式工作，优化了蓄电池的放电过程。
3.3.1蓄电池接直流母线
通常混合动力汽车复合电源的结构都是采用超级电容器通过DC/DC变换器与蓄电池连接，而蓄电池直接接在直流母线上。
该电路结构是常规的连接方式，最大特点是直流母线电压在充放电过程中变化相对较小。其代价是，由于超级电容器通过DC/DC变换器与直流母线相接，直流母线上的高倍率充放电电流中大部分由超级电容器承担，所以导致DC/DC变换器容量很大，从而满足超级电容器充放电能力的要求；该电路结构所付出的第2个代价是，需要DC/DC变换器具有超快响应速度。当负载需要或回馈高倍率放电电流时，若变换器不能快速响应，所有的高倍率电流都要由蓄电池承受，即使变换器能够满足要求，但其内部无论是开关管的开通还是控制芯片误差放大器的响应等都需要时间，因此蓄电池都会承担一定的短时高倍率充放电电流，这样无法最大程度上解决其寿命问题，而且采用快速器件还要增加成本。
3.3.2超级电容接直流母线
由于蓄电池与直流母线相连会出现DC/DC变换器的容量很大以及需要超快速响应的问题，可采用超级电容器接到直流母线，蓄电池通过DC/DC变换器与超级电容器相连的方式进行连接。该电路结构的优点是：直流母线上高倍率充放电电流大部分直接流入/流出超级电容器。
DC/DC变换器仅控制远
小于直流母线充放电电流的蓄电池充放电电流。这
样所需DC/DC变换器的容量大大减小，有利于降低图1超级电容器和蓄电池的充放电特性
成本，提高可靠性。不仅如此，由于超级电容器可承受短时高倍率充放电电流，可以吸收直流母线上的高倍率充放电电流，同时也有效降低了对DC/DC 变换器快速型和性能指标的要求，减小了研究风险。
4双向DC/DC 变换器设计与实验仿真
由于超级电容器的电压可能高于或低于蓄电池
电压，DC/DC 变换器应该是升/降压型变换器，因此可以采用图2所示的主电路拓扑结构。图中，VQ 1构成降压型变换器的开关部分，VQ 3，L ，C o 构成降压型变换器的低通滤波器部分，电路中L ，VQ 2，VQ 4，C o 构成升压型变换器。
4.1
Simulink 仿真分析
在Matlab/Simulink 仿真软件中，对双向DC/DC
变换器的升压模式和降压模式分别进行仿真测试，
其升降压模式仿真电路如图3所示
。
4.2
具体实验结果分析
为验证该方案的优越性，搭建了一个小型实验
平台。复合电源参数：
超级电容器4.5F/400V ，采用600F/2.7V 单体超级电容器144支串联；蓄电池采用17Ah/336V 锂离子电池；双向DC/DC 变换器容量为10A/400V ，控制电流值10A 。
相应的测试结果为：复合电源向直流母线放电电流峰值50A ；放电周期3.75s ，放电脉冲宽度0.75s ，间歇3s ；蓄电池持续放电电流10A 。复合电源向直
流母线放电电流、DC/DC 变换器蓄电池侧电流和直流母线电压波形如图4所示。
由图4可见，当复合电源在占空比为0.2状态下放电时，可立刻响应直流母线的负载变化，蓄电池
则以复合电源输出峰值电流的1/5持续稳定放电。
直流母线电压在复合电源放电时随放电时间的持续而略有跌落，放电停止期间蓄电池通过DC/DC 变换器向超级电容器充电，复合电源输出电压回升。该循环放电过程中，尽管直流母线电压略有变化，但远小于复合电源电压范围上下极限252~410V ，完全可以满足性能要求。
5结束语
系统分析了混合动力汽车用蓄电池的不足以及
应用超级电容器的优势，将高功率密度的超级电容器与高能量密度的电池有机匹配，使之既可输出/吸收高倍率电流的冲击，又可以满足多次高倍率电流所需的高能量密度。采用双向升降压DC/DC 变换器可满足电池在高于或低于超级电容器电压时保证电池的正常充放电。通过对DC/DC 变换器的控制，实现复合电源系统对外充放电过程中，超级电容器与蓄电池的功率按照“最佳”工作状态进行分配。
参考文献
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图4
实验波形
图2
双向可升降压变换器
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