超级电容和蓄电池组合电源在电动自行车上应用

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1、超级电容和蓄电池组合电源在电动自行车上应用摘要：本文提出了超级电容器与蓄电池组合应用于电动自行车构成双电源供电系统，设计了双电源的连接方式，超级电容可通过双向DC/DC变换器与蓄电池并联，以使超级电容能释放出更多的电能；给出了超级电容器与蓄电池组合的控制策略，使蓄电池在任何情况下都工作于额定功率下的最佳工作状态，有效的保证了蓄电池免受冲击，延长了蓄电池的使用寿命。关键词：超级电容器蓄电池控制策略冲击1概述中国已成为全球最大的电动自行车生产国、消费国和出口国［1］。电动自行车作为一种节能环保、出行便捷的中短距离交通工具，深受广大消

2、费者欢迎，同时，电动自行车将向着多功能型及节能型的方向发展。当前，电动自行车存在的问题主要集中在：蓄电池的使用寿命和频繁的更换上，蓄电池存充电时间长、充放电次数有限以及还有接触不良等等问题，所以，蓄电池是影响电动自行车性能质量的关键部件,也是制约着电动自行车发展的关键问题。近年来，许多科技发达的国家都致力于研发新型的电动自行车电池［2-3］,包括高功率镉镰、锌镰、氢镰、锂聚合物以及燃料电池等等。氢镰电池在日本、欧美等国应用较为广泛；锂离子/锂聚合物等电池也在推广使用。我国也有许多科研院所也在积极研发电动自行车用的新型电池，但目前

3、95%左右的电动自行车仍采用传统的铅酸蓄电池。然而，由于铅酸蓄电池的寿命比较短，在一年左右就需要更换；而且，当电动自行车处于启动、加速、爬坡、逆风和载重运行时，电池在短时间内要提供几十安培的电流驱动电机，铅酸蓄电池难以达到良好的效果，而且如此大的电流会对电池造成冲击性伤害，严重的影响电池续航里程和使用寿命。超级电容具有其它电池无可比拟的优点，且已成功的应用于诸多领域，如作为电子产品的后备电源、不间断电源以及电动工具的电源等。超级电容在新能源、电动汽车和军事三个领域的应用尤为广泛和突出，超级电容器的出现带来了电池的革命。本文将超级

4、电容器与蓄电池相结合，应用于电动自行车驱动中，合理的设计了双电源的连接方式，并且根据电动自行车电机驱动的特点，给出了控制策略，该控制策略能有效地改善电动自行车的性能，延长蓄电池的使用寿命，具有极大的市场前景。2超级电容超级电容又称为电化学电容器，是介于电池和电容器之间的一种储能器件，既具有电容器快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。超级电容主要有如下特点：①电容量大。单体超级电容器的电容量比同体积的电解电容器大2000〜10000倍，可达数千法或数万法拉。②功率密度高。超级电容能提供瞬时大电流，在短时间内电流就可以达到几

5、百至几千安培，功率密度是蓄电池的近百倍，可达1000W/kgo③充电速度快。充电几分钟就可达到额定容量的95%以上。④能量转换效率高、充放电接受能力强。大电流充放电能量循环效率大于90%,充放电过程中能量损失小。⑤循环使用寿命长。在正常使用条件下，循环使用次数可达十万次以上。⑥使用温度范围宽，可靠性高。在-40〜65工的温度范围内都能正常、安全、可靠工作。3超级电容与蓄电池组合将超级电容与蓄电池合理组合，构成双电源供电，布置在电动自行车上，共同承担驱动电动自行车的任务。当电动自行车正常在平坦路面行使时，由蓄电池单独供电；在启动、

6、爬坡、加速等需要瞬时大功率阶段，超级电容器与蓄电池同时向电机供电。当电动自行车制动时，电机对外发电，超级电容储存能量，实现能量回收利用。由于超级电容器具有比功率大，充电速度快，使用寿命长等优点。将超级电容器与蓄电池相结合，能够取长补短，能有效地改善现有的电池性能、延长其使用寿命。但是超级电容也具有能量密度低，串联内阻大的缺点，若将串联超级电容组与蓄电池组直接并联，由于过大的内阻将使超级电容组输出的电流过小，这样将不能起到分流保护蓄电池的作用。因此，本文设计了一个双向的DC/DC变换器，超级电容可通过DC/DC变换器再与蓄电池相并

7、联，输出功率可随意调整。为此，在运行时必须构建一定的控制策略，能够在电机电流需求过大时及时启动或扩大超级电容的输出电流，限制蓄电池输出过载电流，以保护蓄电池。控制策略根据电动自行车的运行工况确定，工况可分为平地行驶，启动、加速、爬坡、过载、刹车等几种。3.1启动、加速、爬坡和过载状态在这种状态下电机有瞬时大功率的需求，应由超级电容和蓄电池共同输出功率以驱动电机，鉴于超级电容具有短时大电流放电的特性，相比蓄电池，超级电容能够更好地满足这一要求，此时，可以由超级电容承担大部分的负荷。因此,在这一阶段超级电容需作为主能量源，承担峰值功

8、率，而蓄电池只作为辅助能量源；当峰值功率过后，超级电容退出，负荷由蓄电池承担。3.2平地匀速行驶状态当电动自行车在平地匀速行驶的状态下运行时，功率需求不高，此时，蓄电池输出功率完全可以满足电机动力性的要求。在此工况下，电机驱动的能量完全由蓄电池单独提供,超级电容