探究超级电容器蓄电池的混合电源性能

贺天良

中国人民解放军92665部队

摘要：在超级电容器和蓄电池的使用中，如果将两者混合，就可以最大程度提高蓄电池的工作放电能力，提高混合电源的工作性能，以及超级电容器的工作年限，能够在维持正常运行的基础上降低工作消耗，在实际应用中具有重要意义。本文通过对超级电容器蓄电池的应用进行分析，建立了相关数学模型，对影响超级电容器蓄电池的混合电源使用性能的条件进行分析。经过分析发现，脉动负载周期、蓄电池工作电阻、超级电容器容量和超级电容器的工作特性都能够对混合电源消耗和使用年限产生影响。

关键词：超级电容器；蓄电池；混合电源

引言：随着时代的进步，科技的发展，新型科学技术不断涌现，多种新型数字化设备、电动汽车和测量仪器被发明出来，人们对电源的要求也就随之提高。这些设备要能够在脉动性负载电源下进行工作，实现在高峰值功率，以及低平均功率下工作的电源。传统方法采用单独的蓄电池工作显然已经不能够满足这些设备的需求，并且使用年限较低，要满足高功率需求的蓄电池体积太大，显然不能够携带使用，所以目前迫切使用新型的超级电容器蓄电池的混合电源来满足类似设备工作的需要。下面主要通过建立数学模型的方式对新型超级电容器蓄电池工作性能进行分析。

1.超级电容器蓄电池的混合电源搭配

传统的设备工作中，蓄电池因为环境污染小、携带方便、具有强烈的可变性等优点而被人们接受。但是现在多种数字化设备、电动汽车、测量仪等都需要在脉动负载式电源下进行工作，这种电源的特点就是负载会呈现谐波变化的趋势，但是其功率峰值很高，平均功率略低。如果将蓄电池应用在此类设备中，由于其不支持快速充放电，容易被消耗造成使用年限缩短，并且具有不支持提供大功率电源等缺点。而且要满足脉冲负载变化电源的需求，就需要大量蓄电池来支持设备的运行。这样就会造成蓄电池的严重浪费，大大提高了生产成本，并且不方便平时工作携带。所以急需要更换电源来供给该类设备的运行。

超级电容器具有以下优点：电容高，使用年限长，能够提供的发电功率高等。如果将超级电容器和蓄电池结合使用，就会提升整体系统的工作性能，提高电源使用年限。从以往的工作情况来看，如果将超级电容器和蓄电池搭配使用，并且在蓄电池周围附加并联电阻，就可以在一定范围中提高混合电源的负载能力，使其能够搭载更多的设备，形成高峰值功率，低平均功率运行的电源。而且还能够提高电源的使用年限，降低蓄电池体积，方便携带，提高经济效益。下面主要通过对超级电容器蓄电池数学模型的建立，探究其脉动负载下功率的峰值变化，以及平均功率的变化，探究该种电源的实用性，分析其特点，并结合实际应用情况分析。

2.对理想模型分析

超级电容器蓄电池混合电源主要是通过超级电容器和蓄电池进行并联结合而成的负载电源。调研人员为分析其工作特点，建立工作模型，将其看做理想电压源和等效电阻串联构成的工作电路。由于该种模型主要是对分析电源对电路的峰值功率变化影响，所以不对超级电容器和蓄电池的并联电路进行分析，在蓄电池周围的并联电路就不会影响实验结果。超级电容器蓄电池电源在理想模型中工作，因为电源周围产生脉冲负载存在电感，所以会对实验结果产生影响，造成少许误差。但是在该种混合电源实际工作时，由于脉冲信号变化周期较短，所以这些电感是可以忽略不计的，该理想模型具有一定的可行性。此外，如果需要更为准确的实验结果，就可以替换理想模型，按照戴维宁定理得到其他更为简化的电路。

3.对理想模型电源内部损耗分析

超级电容器蓄电池混合电源在脉动负载条件工作下，由于超级电容器承担很大的电路负载电流，并且超级电容器的工作电阻很小，所以使得混合电源的工作消耗功率大大降低，提高了电池的使用年限。

经整理分析可以得到混合电源的以下特点：首先，在混合电源内部电阻工作周期越短时，混合电源造成的损耗越小，整体电路的工作消耗功率就越小；其次，电路中对于超级电容器和蓄电池的工作回路对功效的整体影响包括：蓄电池的工作电阻越大，消耗功率越高，引起混合电源内部消耗越低；然后，功率消耗应该和超级电容器电容量和等效电阻呈现这样的联系：超级电容器的电阻越小，电容量越大，混合电源的内部消耗越低。最后，功率和超级电容器的支路增加到一定的范围中，并联电路的功率消耗会变得稳定。

4.对理想模型运行时间分析

通过超级电容器蓄电池混合电源的驱动实现脉动负载，可以明显发现蓄电池的电阻造成的损耗有明显下降，蓄电池的续航时间因此得到保障。超级电容器蓄电池混合电源和只用蓄电池供电比较，明显需要更少的电量就可以完成工作。而且混合电源的使用年限更长。使用年限的增加主要涵盖以下三个方面：功率节能因素和脉动负载以及负载电流。从以上结论可以发现，这是调研人员通过对混合电源的模拟工作发现的。

经过分析后发现了超级电容器蓄电池混合电源的使用年限和负载功率的具体联系：首先，脉动负载的频率和使用年限成正比关系；其次，使用年限和脉动负载的占空比有关，当占空比的比例不合适时，就会造成使用年限降低，但是一般波动范围不会太大，实际变化要结合使用功率和负载电流的大小分析。最后，当蓄电池等效电路中并联电路增加，其使用年限就会增加，但是当并联电路增加到一定范围后，使用年限变化就不会再发生变化。

从上述时间的变化我们可以对超级电容器蓄电池混合电源的实际应用进行安排，例如通过在蓄电池周围安装并联电阻对整个电路输出功率进行调节，以达到最适合的功率输出范围，满足生产工作需求。

由此可见，混合电源在脉动负载时，一般都由电路中的超级电容器支路来承担电流的变化。因为混合电源消耗功率高，所以其输送电流的性能很强。造成混合电源的输送功率要比只使用蓄电池的输送功率更高。如果混合电源不在进行负载工作，蓄电池将会向超级电容器中输送电流，供给其工作。

超级电容器和蓄电池的混合工作形成的电源中，在一定程度上降低了其输出电流范围，并且也使输出电压的峰值有下降。它的作用大概和蓄电池的等效电阻类似，降低了蓄电池的损耗，提高供电效率，增加蓄电池的使用年限。

对于超级电容器蓄电池并联工作的数学模型进行分析，可以看出以负载为脉动变化的形式对混合电源在功率损耗方面有很大的优化，通过对其工作结构的变化，我们也能够看出：超级电容器蓄电池满足工作标准时，要能使超级电容器和蓄电池同时供电，并且负载不在工作时，转变为蓄电池向超级电容器供电；超级电容器和蓄电池组成的回路中输送功率以及脉冲电流变化和并联支路之间的关系很深；在超级电容器反馈给蓄电池电流时，使得蓄电池的负载电流降低，减小了蓄电池在这种情况下的损耗；超级电容器蓄电池最适合需要大量输出功率但是平均功率很低的工作系统。

结束语

通过上述模型的建立，我们不难看出，在超级电容器和蓄电池构成的混合电源中，要明显比单独的蓄电池更有优势，原因在于其能够通过向蓄电池周围并联电阻，改变电路组成，使蓄电池达到适合的工作效率，降低能耗，这种调节方式无疑更为简便。因为电池的脉动负载能力能够影响混合电源的参数和负载变化，因此在混合电源参与的设备工作当中，应该根据实际工作条件来对混合电源构成的电路进行调节，前提是设备能够满足实际工作的需求，以此来降低系统能耗。

参考文献

[1]李韶杰.超级电容器蓄电池混合电源的建模与性能分析[J].蓄电池，2010，02：67-70+93.

[2]李韶杰.超级电容器蓄电池混合电源性能研究[J].电源技术，2010，06：567-571.

[3]唐西胜，齐智平.超级电容器蓄电池混合电源[J].电源技术，2006，11：933-936.

[4]王琪，孙玉坤，黄永红，嵇小辅，陈坤华.蓄电池-超级电容器复合电源储能独立光伏系统研究[J].机械科学与技术，2014，02：239-242.

[5]葛智元，周立新，赵巍，王克俭，王毅，刘帅，高庆.超级电容器与蓄电池并联混合电源放电特性[J].电源技术，2014，05：886-889+913.