宋志光，陳志雪，曲寶光，陳二霞，王再紅，李二周

（風帆有限責任公司，河北 保定 071057）

超級電容器與起動電池并聯(lián)混合電源的研究

宋志光，陳志雪，曲寶光，陳二霞，王再紅，李二周

（風帆有限責任公司，河北 保定 071057）

汽車工業(yè)的發(fā)展對起動電池的大電流放電性能提出了更高的要求。蓄電池和超級電容器組成的混合電源就具有極其優(yōu)異的大電流放電特性。本文對幾種不同型號的起動免維護電池和超級電容器直接并聯(lián)組成的混合電源進行了不同溫度下的大電流放電特性研究，并通過理論計算和實際數(shù)據(jù)結合，推導出需要和蓄電池并聯(lián)的超級電容器的容量匹配公式。

超級電容器；起動電池；并聯(lián)；混合電源；大電流放電；匹配公式

0　前言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，鉛酸蓄電池不僅僅為起動發(fā)動機提供動力，同時也要為其它車載用電器提供電能。渦輪增壓系統(tǒng)在汽車上的廣泛應用，使汽車對蓄電池起動瞬間的功率提出了更高的要求。因而設計新型鉛酸蓄電池或者采用其他方法提高蓄電池的使用壽命和放電性能成為了世界各國的研究熱點［1-2］。

超級電容器是一種利用雙電層來進行充放電循環(huán)的物理電源器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、可快速循環(huán)充放電、工作溫度范圍大和可靠性高等特性。超級電容以其特殊的性能而被廣泛應用，尤其是在汽車起停系統(tǒng)和新能源汽車領域的應用已引起世界各國的廣泛重視［3］。

蓄電池和超級電容器組成的混合電源具有極其優(yōu)異的大電流放電特性，可滿足現(xiàn)代汽車行業(yè)對起動電池大電流放電性能的高要求［4-7］。超級電容器與蓄電池最簡單的聯(lián)合應用方式為直接并聯(lián)，具有高可靠性和經(jīng)濟性的優(yōu)點，但同時也存在組合方式受限和容量實際利用率低等缺點［8］。本文中，對幾種不同型號的起動免維護鉛酸蓄電池和超級電容器并聯(lián)組成的混合電源進行了不同溫度下的大電流放電特性研究，并通過理論計算和實驗數(shù)據(jù)結合，推導出需要和起動免維護蓄電池并聯(lián)的超級電容器的容量匹配公式。

1　實驗

實驗所用免維護鉛酸蓄電池的型號分別為6-QW-36（簡稱 36）、6-QW-60（簡稱 60）、6-QW-80（簡稱 80）和6-QW-105（簡稱 105）；與其并聯(lián)的超級電容器為美國 58F、250F超級電容器以及我國某公司生產(chǎn)的500F超級電容器。

實驗過程是將上述蓄電池和超級電容器兩兩直接并聯(lián)后，采用德國 BTS 公司的HEV 1500-030ME型電池放電測試系統(tǒng)，分別在-30℃、-18℃、0℃、40℃和60℃條件下進行大電流放電。放電電流根據(jù)上述蓄電池型號分別選用265 A、320 A、 380 A和512 A，放電時間均為30s，測試時間間隔為0.1s。采用美控公司的MIK-5000D 系列數(shù)據(jù)記錄儀記錄超級電容器和蓄電池的電壓。

2　結果與討論

2.1不同溫度對混合電源大電流放電電壓的影響

圖1為混合電源在-30℃條件下大電流放電電壓變化圖。其中 Normal 指未與超級電容器并聯(lián)的蓄電池；58F、250F、500F分別指混合電源中與蓄電池并聯(lián)的超級電容器的型號，下同。從圖1 可以看出：在-30℃條件下，58F超級電容器在大電流放電的前3s內(nèi)對所有電池的放電有明顯的補償作用；250F和500F超級電容器對電池放電電流的補償作用時間分別為7s和10s。汽車的一次成功起動過程只需 1～3s，可以預計在-30℃條件下，三種超級電容器對汽車起動能力均具有明顯的增強作用。

圖1　混合電源在-30℃條件下大電流放電電壓變化趨勢圖

從圖2 可看出：在-18℃低溫和所研究的放電電流條件下，58F超級電容器對容量大于80Ah電池的電壓變化影響很?。欢?250F和500F超級電容器對這 4種型號電池的放電電壓都產(chǎn)生了明顯的影響。這說明對本實驗設計的起動電流來說，小型號超級電容器對較大容量的蓄電池的起用能力所起的增強作用不大，而大型號超級電容器的補償作用比較明顯。

圖2　混合電源在-18℃條件下大電流放電電壓變化趨勢圖

從圖3 可以看出：在0℃和所研究的放電電流條件下，58F超級電容器對容量大于60Ah電池的電壓變化影響可以忽略，對容量分別為36Ah和60Ah電池，其有效作用時間為3s；250F和500F超級電容器在5s以內(nèi)對于電池放電電流的補償作用非常明顯。

圖3　混合電源在0℃條件下大電流放電電壓變化趨勢圖

從圖4中可以看出，在40℃和所研究的放電電流下，58F超級電容器對本研究中所有電池放電電壓的影響都可以忽略了，而且 250F和500F超級電容器對放電電壓的影響也明顯減弱了。

圖4　混合電源在40℃條件下大電流放電電壓變化趨勢圖

從圖5中可以看出，在60℃和所研究的放電電流條件下，超級電容器對電池電壓的影響就更小了。這表明隨著溫度的升高，尤其是溫度到達高溫區(qū)間以后，電池本身的能力已經(jīng)能夠完全滿足汽車起動的要求。所以，超級電容器對起動電池的補償作用在冬天及寒冷地區(qū)能發(fā)揮更大作用，而在夏季及熱帶地區(qū)的影響作用很小。同時可以預計，在需要更大電流的情形下，超級電容器的作用將更加明顯。

圖5　混合電源在60℃條件下大電流放電電壓變化趨勢圖

蓄電池在不同溫度下大電流放電時，并聯(lián)超級電容器后的混合電源的電壓變化趨勢不同于單獨的蓄電池電壓變化。原因可能是：在低溫條件下，電池的化學反應勢壘比較高，并聯(lián)超級電容器后，利用超級電容器良好的功率性能，為化學反應越過相應的勢壘，提供了緩沖的時間；隨著溫度的升高，尤其高于0℃后，化學反應勢壘已經(jīng)不是影響化學反應的主要因素了，因此并聯(lián)電容后對電池的補償作用隨著溫度升高而降低。

2.2超級電容器和蓄電池并聯(lián)的匹配機理

2.2.1電容基本狀態(tài)

超級電容的容量一般用C來表示。C和電量Q、電容器放電電流Icc、電容的電壓U及放電時間t 存在如下關系：

理想超級電容只有一個固定的內(nèi)阻Rcc，這個內(nèi)阻不隨放電時間、放電電壓和放電電流的變化而變化。但在實際使用過程中，Rcc只是在放電開始時約1s內(nèi)幾乎沒有變化。

2.2.2理想狀態(tài)超級電容器與蓄電池并聯(lián)后的放電規(guī)律

在本研究中，我們采用電池和電容器并聯(lián)，然后恒流放電。在這個實驗過程中，總電流I 是一個固定值，可分為兩部分，分別是電容器電流Icc和電池電流Ibatt，即 I= Icc+Ibatt。根據(jù)公式 W=It 可得到混合電源放出的電量W。通過對電量進行微分，再根據(jù)公式（1）～（3）得到

對于16.2V 超級電容而言，電容和電壓之間存在如下關系：

其中，a為超級電容的總容量，16.2V為該研究中超級電容器的上限電壓。所以

根據(jù)歐姆定律 U= Icc·Rcc，故

即混合電源在單位時間內(nèi)，容量變化和電壓變化的比值是一個定值。

2.2.3理想混合電源有效放電時間

因為超級電容在實際放電過程中，內(nèi)阻并不是不變，而是在一定時間以后，才開始發(fā)生變化。因而當超級電容遵從公式（11）變化時，有一個時間節(jié)點。我們在現(xiàn)實使用過程中，需要找到這個節(jié)點。因此由公式（4）得

在這個節(jié)點時間內(nèi)，超級電容器放電近似符合理想狀態(tài)。本研究中，對不同的混合電源在不同溫度下dW/dU的變化趨勢進行了測試，并對測試數(shù)據(jù)進行了相應的處理，發(fā)現(xiàn)dW/dU趨勢均符合圖6。從圖6中可以看出，在最開始的很短時間內(nèi)（約1s），電容的dW/dU近似是恒定的（符合理想狀態(tài)），之后的變化趨勢近似為一條上升的直線。對于本研究中所使用超級電容，隨著放電的繼續(xù)進行，電阻呈現(xiàn)一種近似直線的變化趨勢。這是因為超級電容最開始放電時候，只是簡單地兩個極板表面上電荷在轉移，但是隨著放電的繼續(xù)進行，極板表面的電荷已經(jīng)不能夠滿足電容繼續(xù)放電的要求，于是極板內(nèi)部的電荷就從孔洞向表面轉移。不同型號和廠家的超級電容的Rcc變化也是不同的。對于水系活性炭的雙電層電容而言，Rcc的變化為一條近似的直線，這是因為內(nèi)部電荷從活性炭內(nèi)部移動到表面的過程可以理解為是勻速轉移的。

圖6　實際應用中混合電源dW/dU變化圖

2.2.4實際狀態(tài)超級電容器并聯(lián)后放電規(guī)律

放電時間超過節(jié)點時間以后，電容的內(nèi)阻不再是個定值，根據(jù)該試驗中超級電容的特點，其電阻的變化近似符合直線規(guī)律，故

混合電源中超級電容器的選擇和以下幾個因素有關：混合電源大電流放電電流I；總容量的變化△W；總電壓的變化 △U，超級電容的內(nèi)阻Rcc。對于16V電池系統(tǒng)，需要和電池匹配的超級電容器的大小可以根據(jù)公式（15）求出來。對不同溫度條件下混合電源dW/dU在放電時間里（其中 58F超級電容器在前3s內(nèi)，250F和500F超級電容器在前5s內(nèi)）的數(shù)據(jù)擬合后，取斜線趨勢線求 K值（見表1）。

從表1中可以看出，隨著超級電容器容量的增加，K 值變化量減小。隨著溫度的增加，K 值變大，這是因為溫度升高后，電池本身的化學反應速率加快，超級電容器對電池的電流補償作用變小。

3　結論

（1）三種超級電容器隨著溫度的升高，對蓄電池放電電壓的補償作用逐漸減小。

（2）58F超級電容器在-30℃條件下對蓄電池電流補償作用很明顯，但當溫度高于0℃后，其補償作用變小。

（3）超級電容器和蓄電池并聯(lián)后的混合電源在

表1　不同配置的混合電源在不同溫度下K 值表

放電 0.6 ～1s內(nèi)符合理想狀態(tài)。

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The hybrid powerstudy oFsupercapacitor andstart-stop battery in parallel

SONG Zhiguang，CHEN Zhixue，QU Baoguang，CHEN Erxia，WANG Zaihong，LI Erzhou
（Fengfan Co.，Ltd，Baoding Hebei 071057，China）

High performance oFstart-stop battery is needed to adapt to the development oFauto industry.supercapacitor / battery hybrid powersystem has excellent high-rate discharge performance.In this paper，high-rate discharge characteristics oFdifferent types oFhybrid powers oFstart-stop maintenance-free lead-acid batteries andsupercapacitors in parallel were tested and analyzed.Finally，based on combining theoretic calculation and the experimental data，the matchingFormulas oFthe batteries andsupercapacitors in parallel were obtained.

supercapacitor；start-stop battery；in parallel；hybrid power；high-rate discharge；matchingFormula

TM 912.9

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1006-0847（2016）05-201-06

2016-07-04