超级电容和蓄电池组合电源在电动自行车上应用

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

2、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；

3、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

4、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： 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200010000倍，可达数千法或数万法拉。 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百至几千安培，功率密度是蓄电池的近 百倍，可达1000w/kgo 充电速度快。充电几分钟就可达到额定容量的95%以 上。 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

5、中能量损失小。 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。 使用温度范围宽，可靠性高。在-4065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、 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

6、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

7、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, 超级电容不需释放功率。3.3刹车状态当电动自行车处于刹车状态时，此时电机处于发电状 态，

8、将一部分动能转化为电能，该电能可以经双向dc/dc变 换器逆变送回超级电容。在此状态下蓄电池与电机之间的回 路被切断，蓄电池不吸收回馈电能，这样能避免再生电流对 蓄电池造成冲击伤害。将超级电容作为再生制动回馈能量的储能容器，正是利 用了超级电容能够吸收瞬时大电流的特性，也可有效提高能 量的回收率。双电源驱动电动自行车的能量管理目标是：采用合理 的控制策略，实现两种储能容器的优势互补，在确保电动自 行车的动力性要求的同时，让蓄电池时刻工作于低电流放电 的最佳工作状态；其次，更好的利用了超级电容的特点，将 再生发电制动方式产生的电能回馈到超级电容器，既提高了 能量的回收率又对蓄电池起到了保护作用，免受冲击，延长 其使用寿命。 电动自行车工作状态的判别，可根据 检测电机的驱动功率来进行。当驱动功率为正值，并大于蓄 电池额定功率，且厶p/at>0时，可以判断为电动自行车处