CN103138367A - 应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源 - Google Patents

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王琪
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Abstract

本发明公开了一种应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，蓄电池通过双向DC-DC变换器与超级电容器并联，双向DC-DC变换器的拓扑为非隔离半桥结构，其控制目的是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。在脉冲电流负载作用的情况下，半主动式结构复合电源中蓄电池的放电电流比较平滑，蓄电池通过双向DC-DC变换器以恒流方式工作，其放电过程得到了优化，循环寿命得到延长。

Description

应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源
技术领域
本发明涉及一种储能装置，特别涉及一种将蓄电池和超级电容器相结合构成复合电源的储能装置。
背景技术
随着科技的发展，数字移动设备、电动汽车、定向能武器等功率具有脉动性的负载日益增多，其典型的特点是峰值功率较高，但平均功率较低，要求电源具有较高的功率输出能力。 
传统的蓄电池具有成本低、技术成熟、安全性高、能量密度高等优点，但是其内阻较大，比功率小，循环寿命短。
超级电容器作为一种新型储能装置，凭借其高功率密度、优异的瞬时充放电性能、循环寿命长等优点越来越多地受到国内外学者的广泛关注。如果将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源，使得蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的特点相结合，无疑会给电力储能装置带来很大的性能提高。
如果直接将蓄电池和超级电容器并联，构成被动式复合电源，可有效减少蓄电池组在脉动负载时输出的最大电流，提高了系统的功率输出能力。但是该结构也存在着明显的缺点，如蓄电池组、超级电容器组必须保持端电压一致、设计上缺乏灵活性、端电压随着充放电过程变化较大、影响负载工作性能等。同时，如果在脉冲电流负载冲击幅度较大时，被动式结构复合电源效果并不明显。
发明内容
针对现有技术中复合电源存在的上述缺陷，本发明提供一种应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，主要应用于脉冲电流负载，该复合电源充分发挥了蓄电池比能量大和超级电容器比功率大的优点。
本发明的技术方案是：
应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，包括蓄电池、超级电容器，还包括双向DC-DC功率变换器，蓄电池通过双向DC-DC功率变换器与超级电容器并联。
进一步，所述双向DC-DC功率变换器采用非隔离半桥结构。
进一步，根据对蓄电池和超级电容器电压匹配的需要，所述双向DC-DC功率变换器设置为降压式或升压式。
进一步，在脉冲电流负载作用的情况下，双向DC-DC变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。
本发明的有益效果是：
1、超级电容器和蓄电池的端电压可以不同，因而在设计上有着较大的灵活性；
2、由于功率变换器将蓄电池的输出电流限制到安全可靠的范围，所以大大提高了系统的功率输出能力；
3、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；
4、功率变换器模块采用双向DC-DC变换器，拓扑为非隔离半桥结构，该结构元器件数量少，造价低廉，没有变压器损耗，效率高，易于包装和集成；
5、在脉冲电流负载作用的情况下，半主动式结构复合电源中蓄电池的放电电流比较平滑，蓄电池通过双向DC-DC变换器以恒流方式工作，其放电过程得到了优化，循环寿命得到延长。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是脉冲电流负载的分解图；
图3是双向DC-DC功率变换器的电路图；
图4是双向DC-DC功率变换器的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源的结构如图1所示，图中，                                                
Figure 994322DEST_PATH_IMAGE001
为蓄电池；
Figure 426440DEST_PATH_IMAGE002
为蓄电池的内阻；
Figure 317036DEST_PATH_IMAGE003
为超级电容器，
Figure 114090DEST_PATH_IMAGE004
为超级电容器的内阻；
Figure 34511DEST_PATH_IMAGE005
为脉冲电流负载。蓄电池通过双向DC-DC功率变换器与超级电容器并联，由于功率变换器的变流作用，可以控制蓄电池的充放电电流，从而提高复合电源的性能。根据实际情况，功率变换器可设置为降压和升压式，以对蓄电池和超级电容器进行电压匹配。
脉冲电流负载的分解图如图2所示，所谓脉冲电流负载其特征就是在两个电流水平之间交替的周期性矩形脉冲序列，两个电流水平量可表示为和
Figure 467952DEST_PATH_IMAGE007
，周期为，占空比为
Figure 407406DEST_PATH_IMAGE009
。记，且可以为正数，零和负数。
Figure 496957DEST_PATH_IMAGE011
              （1）
周期性非正弦瞬时负载电流可分解成两个部分：平均电流分量和动态电流分量，如图2所示，可由以下傅里叶级数表示：
         
Figure 142702DEST_PATH_IMAGE012
        （2）
    
Figure 205467DEST_PATH_IMAGE013
       （3）  
       
Figure 253057DEST_PATH_IMAGE014
       （4）
图3为本发明中双向DC-DC功率变换器的具体实施例，图中，
Figure 874400DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 7441DEST_PATH_IMAGE016
分别表示蓄电池和超级电容器两端电压；
Figure 873897DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 775994DEST_PATH_IMAGE018
分别表示超级电容器和蓄电池端的滤波电容；
Figure 591676DEST_PATH_IMAGE019
为电感，
Figure 946434DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 616581DEST_PATH_IMAGE021
为IGBT，、
Figure 24746DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 70062DEST_PATH_IMAGE021
构成双向DC-DC变换器，
Figure 776856DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 325649DEST_PATH_IMAGE023
分别表示与
Figure 476007DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 743041DEST_PATH_IMAGE021
相连的二极管。在图3所示实施例中，双向DC-DC功率变换器能够实现两象限运行，即变换器两端电压方向不变，电流方向改变，在功能上相当于buck变换器和boost变换器的组合。当开关管
Figure 754990DEST_PATH_IMAGE020
以一定占空比开关，
Figure 158290DEST_PATH_IMAGE023
为续流二极管时，变换器等效为buck变换器，能量由流向
Figure 233879DEST_PATH_IMAGE016
，超级电容器吸收能量。同理，当开关管
Figure 970891DEST_PATH_IMAGE021
以一定占空比开关，
Figure 805860DEST_PATH_IMAGE022
为续流二极管时，变换器等效为boost变换器，能量由
Figure 298022DEST_PATH_IMAGE016
流向
Figure 87117DEST_PATH_IMAGE015
，超级电容器释放能量。
根据图3所示的实施例，提出一种控制策略，如图4所示。双向DC-DC功率变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池组通过功率变换器以恒流输出方式工作。图4所示的系统控制模型中，
Figure 690137DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 645192DEST_PATH_IMAGE025
分别是负载的输出电流和功率变换器的输出电流，在仿真时间内对负载电流
Figure 980359DEST_PATH_IMAGE024
进行积分、平均，以此作为功率变换器的参考量，并与实际输出电流比较，产生误差信号，经过PI调节器得到控制量，继而产生控制功率变换器的脉冲调制信号（PWM）。
本发明应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源中，蓄电池通过双向DC-DC功率变换器与超级电容器并联。双向DC-DC变换器采用非隔离半桥结构，该结构元器件数量少，造价低廉，没有变压器损耗，效率高，易于包装和集成。在脉冲电流负载作用的情况下，双向DC-DC变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。双向DC-DC变换器能够实现两象限运行，即变换器两端电压方向不变，电流方向改变，在功能上相当于buck变换器和boost变换器的组合。在脉冲电流负载作用的情况下，双向DC-DC变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，包括蓄电池、超级电容器，其特征在于：还包括双向DC-DC功率变换器，蓄电池通过双向DC-DC功率变换器与超级电容器并联。
2.根据权利要求1所述的应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，其特征在于：所述双向DC-DC功率变换器采用非隔离半桥结构。
3.根据权利要求1或2所述的应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，其特征在于：根据对蓄电池和超级电容器电压匹配的需要，所述双向DC-DC功率变换器设置为降压式或升压式。
4.根据权利要求1或2所述的应用于脉冲电流负载的蓄电池和超级电容器的复合电源，其特征在于：在脉冲电流负载作用的情况下，双向DC-DC变换器的控制目标是使得变换器的输出电流等于负载的平均电流，进而确保蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。
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