随着科技的高速发展，各种数字移动设备、便携式电子仪器越来越多，随之而来的是对电源的性能提出了越来越高的要求，蓄电池由于具有技术成熟、性能可靠的特点被社会广泛应用，普遍看来这些电子设备的负载都具有脉动性的特点，峰值功率很高但平均功率较低。但由于蓄电池功率密度小、无法快速充放电且循环寿命短，因此蓄电池必须要有很大的容量才能够满足峰值功率的需求，这样就造成了蓄电池容量的浪费和造成电池体积过于庞大带来的诸多不便。
【摘要】超级电容器与蓄电池的混合使用，不仅可以充分发挥蓄电池能量大和超级电容器循环寿命长、充发放电快速的优点，而且可以显著降低电源内部的消耗，提高了电池的使用寿命，大大提升了混合电源的性能。本文通过建立超级电容器蓄电池混合电源的数学模型，定量地分析了影响混合电源性能的因素以及对性能方面的改善措施。分析结果表明，脉动负载的周期、蓄电池的内阻、超级电容器的内阻、脉动负载的所占比以及超级电容器的容量和超级电容器的并联支路数都是影响超级电容器蓄电池混合电源的内部消耗和使用寿命的原因。
【关键词】核心科技期刊投稿,超级电容器,蓄电池,混合电源
1引言
超级电容器是储能器件在功率与能量上的结合，具有功率高、循环寿命长、比能量高、充放电效率高等优点。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，无疑会使电能储能装置的性能得到大大提高。一些参考文献中指出，将超级电容器与蓄电池并联使用，可以使混合电源的负载适应能力尤其对大功率脉动的负载有较大的提高，一方面可以有效降低蓄电池的内部消耗、增加使用寿命，另一方面还可以减小电源的体积，改善了其经济性和可靠性。
本文通过建立超级电容器蓄电池混合电源的数学模型，分析了超级电容器对蓄电池峰值功率改善的作用及影响因素，并通过构建实验进行验证。
2模型分析
超级电容器蓄电池混合电源是将超级电容器和蓄电池并联起来作为脉动负载的电源。研究者为了使分析过程简化，可以将蓄电池的模型简化为理想电压源与等效串联内阻的串联结构。由于该模型主要考虑的是系统的动态性能，所以可以不考虑并联内阻。在高频情况下由于存在分布电感，所以此模型的分析结果会产生一定的误差。但由于实际应用时超级电感器蓄电池混合电源的工作周期一般为毫秒至秒级，所以该模型是可行的。若将该模型进行拉氏变换，并利用戴维宁定理简化可得到另一种更加简单的等效电路。
3内部损耗分析
超级电容器蓄电池混合电源应用于脉动负载时，负载电流的大部分由内阻很小的超级电容器支路承担，因此使得超级电容器与蓄电池混合电源中蓄电池的内部损耗降低了，蓄电池的发热量也大大减小，有效地延长了电池的使用寿命。
经过整合分析结果，得出第一、当负载占空比越小、周期越小时、功率节约因子越大，超级电容起蓄电池混合电源的内部消耗就越小；第二、超级电容器及蓄电池的等效串联内阻对功率节约因子的影响是：超级电容器的等效串联内阻越小，功率节约因子越大：蓄电池的等效内阻越大，功率节约因子越大，超级电容器蓄电池混合电源的内部消耗就越小。第三、功率节约因子与超级电容器的电容量及等效串联电阻的关系：当超级电容器的等效串联内阻越小时，电容量越大，功率节约因子越大，超级电容器蓄电池混合电源的内部损耗越小。当电容量达到一定值时，功率节约因子会随着电容量的变化趋于平稳。第四、功率节约因子与超级电容器并联支路数的关系：当并联支路数增加时，功率节约因子会随之增大，但是在并联支路数增大到一定程度时，功率比例因子的变化将趋于平稳。
4运动时间分析
利用超级电容器蓄电池混合电源驱动脉动负载，由于蓄电池的内部损耗降低了，因此延长了蓄电池的运行时间。使得超级电容器蓄电池混合电源与蓄电池单独供电相比，节约了许多能量。并且混合电源与蓄电池单独应用相比，其运行时间得到了延长。时间延长率与三个因素有关，其中包括了功率节约因子，脉动负载占空比以及负载电流率。基于以上分析结果，研究人员对超级电容器蓄电池混合电源的运行时间进行了仿真。
整合分析后得出了超级电容起蓄电池混合电源的时间延长率与负载参数的的关系。第一、脉动负载的频率越高，时间延长率就越大。第二，时间延长率还与脉动负载的占空比有关，占空比过小或过大时，时间延长率变小，并趋于零。一般情况下，时间延长率的最大值应在占空比变化范围内，即在零至一的某个点变化，具体的要依附于频率和负载电流率来决定。第三、随着并联支路的增加，超级电容器蓄电池混合电源的时间延长率变大了，当并联支路增加到一定值时，时间延长率的变化又将趋于平稳。
实验结果表明，超级电容器蓄电池混合电源在驱动脉动负载时，大部分的负载电流有超级电容器的支路分担。由于超级电容器的功率密度大，电流输出能力强。使得混合电源的峰值输出功率明显比单独使用蓄电池有显著提高。当脉动负载停止工作后，蓄电池组继续输出电流，给超级电容器组充电。
由上述分析可知，超级电容起蓄电池混合电源不仅降低了蓄电池的输出电流峰值，而且抑制了端电压的跌落，其作用相当于使蓄电池的等效源阻抗降低了，提高了蓄电池的动态响应能力，是电源在驱动脉动负载使得内部损耗降低，放电效率得到提高，放电时间得以延长。
5总结
本文建立了超级电容器蓄电池并联的数学模型，针对负载为脉动的情况对混合电源在峰值功率的提升等方面进行了分析，并对几种主要的结构进行分析和验证，得到了以下几点结论：第一、超级电容起蓄电池混合电源在工作时，超级电容器和蓄电池同时向负载提供电流，且负载电流主要由超级电容器提供。在负载停止工作期间，蓄电池对超级电容器充电。第二、超级电容起蓄电池混合电源的峰值输出功率与脉动负载的周期、占空比、蓄电池内阻、超级电容器内阻、超级电容器的容量和并联支路数有着密切的联系。第三、采用超级电容器可以补偿蓄电池的电流，使得本来应与负载电流相等的蓄电池输出电流得以下降，缓解了蓄电池输出电流过大的压力。第四、超级电容器蓄电池混合电源十分适宜用于功率很高但平均功率较低的脉动功率负载。
在实际应用中我们要有效的利用超级电容器蓄电池混合电源的优势，可通过功率变换器的并联结构使系统配置具有很大的灵活性，从而更好地有优化蓄电池的工作。并且由于功率增强能力与混合电源自身的参数和负载参数有关，所以在实际的应用中，要根据具体情况合理的配置超级电容器组的结构，在满足系统要求的情况下实现混合电源的经济性和实用性。
参考文献：
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