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基于超级电容与蓄电池复合动力电源的研究

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基于超级电容与蓄电池复合动力电源的研究

发布日期:2016-08-30 作者: 点击:

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作为化学储能的主要方式,蓄电池在功率密度、充电速度、能量转换效率、寿命等方面存在着严重的不足,致使许多以蓄电池为主动力的新型产业存在着技术瓶颈。而超级电容作为一种新型的储能方式,恰恰在这些方面具有优良的特性,与蓄电池形成了良好的性能互补。通过分析这两种电池的基本性能,设计了以蓄电池为主动力系统,以超级电容器为辅助动力系统的复合电源,阐述了复合电源的拓扑结构及功率分配控制方法。研究结果表明:采用复合电源工作的电源设备,相比于单一蓄电池电源的情况,具有更好的动力性和可靠性,同时还具有蓄电池的保护作用,有效地提高了系统的寿命。

蓄电池从发明到今天,已有150多年的历史。一百多年来,随着科学技术的不断发展,蓄电池的种类、结构、工艺得到了不断的改进和完善。从最初的铅酸蓄电池,逐步发展至各种新型铅酸蓄电池、锂电池等多种形式并存的局面。而直至今天,蓄电池在飞机、船舶、汽车、电脑、各种仪器、通信设备中依然占据着非常重要的地位。

但是,蓄电池在性能方面也存在着众多的不足之处,例如:功率密度较低、能量转换效率不高、充电速度慢、低温特性差、循环使用寿命短,对环境有污染等问题一直困扰着蓄电池的使用,而这些性能对蓄电池所能提供的动力特性、持续时间特性等都存着重要的影响,因此,研究出比能量高、比功率大、寿命长的高效电池形式是蓄电池突破技术瓶颈的关键[1]。

本文以新型储能形式———超级电容为主要突破口,利用超级电容与蓄电池性能互补的优势,设计了以蓄电池为主、超级电容为辅的电能供给复合系统,并对系统的拓扑结构、功率控制方法进行了研究。动力电池包厂家

超级电容性能分析

超级电容又称为法拉电容或黄金电容,其储能的过程并不是利用化学反应,而是通过极化相应的电解质来进行储能,因此具有许多传统蓄电池所不具备的优势[2]。

其一:由于超级电容的储能不是通过化学元素的化学反应取得,因此其储能过程具有可逆的基本特性,这一特性使电池的反复充放电次数达到了数十万次,从而保证了电池的寿命;

其二:超级电容的能量密度高。高耐压的超级电容动力电池的能量密度可以达到磷酸铁锂电池的3~5倍,氢镍电池的5~10倍,可以有效地改善蓄电池充电时间过长的不足;

其三:由于不存在电能与化学能的转化损耗,电能利用率高达95%,同时超级电容的充放电过程几乎不受外界温度的变化而变化,所以容量随温度的衰减很小;

其四:超级电容结构简单,控制也相对简单,有利于提高控制的可靠性。

综上所述,超级电容是一种短时间输出功率高、寿命长、充放电过程快的新型电池,但是超级电容也有自身的缺点:储电能力差、续驶里程短,因此超级电容电池一般只用在充电容易、耗能少的场合。但是,如果将超级电容和蓄电池以组合的方式一起工作,将能实现各取所长,各避其短的局面,是对电动机械电池方案的良好改进。

复合电源系统及其结构

超级电容与锂电池的组合可以有效地克服各自的缺点,发挥优势,因此具有良好的应用前景,尤其是在电动汽车领域,已经成为汽车电源发展的新方向。下面以在电动汽车所用电池为例,来分析组合电池的工作特性及过程。

众所周知,一辆汽车的运行过程可以分为启动、加速、减速、停止、上坡、下坡等几种状态,而在这些状态中,功率的需求变化很大。据相关资料显示,一辆重2吨的汽车,在启动、加速、上坡时需要的功率约为150kW,而当它以80km/h的速度运行时仅需5kW的功率就可满足要求,峰值功率与平均功率比相当高[1]。如果利用单纯的蓄电池来驱动该汽车的话,势必会为了达到峰值功率而加大蓄电池容量,造成极大的浪费。而如果将一组超级电容与一组蓄电池相并联的话,蓄电池的容量设计只要满足平均功率即可,而峰值功率可以由超级电容来提供,同时超级电容还可以回收在下坡等状态下的电能,提高电能的利用率。

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