超级电容范文
时间：2023-04-01 00:34:16
导语：如何才能写好一篇超级电容，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
优点连连看
从上一期讲述的电容器机理我们可以看到，任何电容器的充放电都是物理过程，仅仅发生自由电荷在极板上和外电路中的流动，而不需要像电池那样在两个极板上和极板之间的电解质里发生化学反应。这使得电容器的充放电速度比电池高若干个数量级。高速充放电除了使得新闻中常常报道的快速充电成为可能之外，还可以在短时间内提供相当大的供电功率，这点也是电池力所不能及的。事实上，电池车的一个老大难问题就是汽车在启动或者爬坡的时候，发动机短时间内需要相当大的输出功率，而电池很难满足这点。由于物理过程相比化学过程的可逆性要好，电容器的使用寿命、充放电效率相对于电池来说也具有显著的优越性。
超级电容也同样具备这些优点。超级电容器的充放电电流可以很大。这一方面使得超级电容可以在极短时间，比如几分钟甚至十几秒内完成大部分充电过程。在超级电容器的报道中，常常强调这一快速充电能力来吸引读者的眼球——现有锂电池动辄需要几个小时甚至十几个小时的充电时间，相比之下真是犹如龟速了。其次，大的充放电电流带来大的输入输出功率。这使得超级电容特别适合于跟别的直流电机、电源或者电池配合使用，用于启动、爬坡、刹车等需要瞬间提供高功率输出或者高功率储能的场合。这些场合上超级电容的应用可以省去大功率电源或者繁琐的变压装置的配置，能有效降低总的系统成本。这个特性也是目前最有利于超级电容应用的一个特性。
此外，超级电容器的正常充放电过程不发生化学反应，而电池则恰好相反，充放电都要依赖于电化学过程。这同样为超级电容带来两个明显的优势。一方面我们知道，实际发生的任何化学反应的可逆性都不可能是100%，因而蓄电池每一次使用，都会造成电池内部的化学物质发生一点不可逆的变化，因而电池的寿命减少，容量减小。通常电池充放电几百到几千个周期后，容量的衰减就会严重到已经没有实用价值。而超级电容中发生的物理过程理论上可以有100%的可逆性，实际上也可以在几万甚至十几万个周期内正常使用。如果苹果能用上超级电容，到时候抱怨电池老化用不了多久的声音就会减少许多了。
另一方面，化学过程遵守阿伦尼乌斯方程，反应速率随着温度的指数函数变化。这使得电池只能工作在比较狭窄的工作区间内。在温度过高时电池可能因为放电过快而过热，导致电池毁坏，乃至起火，最严重的情况下还可能引起爆炸——手机电池爆炸伤人的新闻近年来时有报道。在温度过低时电池则不能正常放电，提供不了足够的电源给外部。在高纬度寒冷地区这点常常造成电器不能正常使用，例如在东北或者北欧、加拿大。而超级电容器依靠的物理过程受影响则相对小得多，可以正常使用的温度范围也就比电池要宽许多。热带沙漠的酷暑或者地球三极的严寒，都不足以造成阻碍。
和传统电容相比，超级电容或者说双电层电容还有一个额外的好处。当充电电压高于击穿电压时，传统电容的两极板之间的电介质发生由绝缘体向导体的转变，阻抗急剧下降，放电电流失控增大。这时很容易在瞬间发生短路、过热甚至起火、电击等各种事故。而双电层电容被充电时，如果电压高于电解质的分解电压，则是电解质发生电解，电容器的内阻非常大，不会发生此类事故，为操作者提供充足的操作时间来避免事故发生。这就好像气球内部压力过大时整个气球会砰的一声炸成碎片，而活性炭储气就不会发生同样的问题。
也不是十全十美
事物都早有着两面件的，超级电容和电池相比，也同样有着明显的缺点。目前，超级电容最大的缺点就是——其储能密度仍然明显偏低。即使性能最好的超级电容，实际可用的储能密度也只有锂电池的几分之一。由于电解质和极板较重，单位重量的超级电容储能和锂电池相比更少。锂电池车充电一次可以跑200公里，结构类似的超级电容车则跑不到20公里就电力耗尽必须重新充电了。
此外，超级电容能提供的电压受到电解质分解电压的限制，一般都比较低，在需要高电压的场合表现不利。而且超级电容的放电电压正如我们前面看到的，会随着放电过程的进行明显降低。这使得超级电容也不能用于对电压稳定性要求高的场合。另一方面，超级电容的制造加工工艺仍未成熟，大规模生产和应用的成本较高。最后，液态电解质的超级电容器仍然是主流，电解液的泄漏对于环境是个潜在的危险因素——尽管并不比同样使用液态电解质的铅酸电池等传统蓄电池更危险。
篇2
Abstract： Super capacitor， also known as Fala capacitor. Super capacitor is safe， energy saving， environmentally friendly and reusable. So it has increasingly become the theme of power supply of all kinds of electronic products such as car audio， telephones， smart appliances， meters， tax control machine， vehicle traveling data recorder， children toys， recorder， and lamps. This paper mainly introduces the general idea of the power supply of the backup data in the electronic energy meter， and introduces the super capacitor selection， charging circuit design， PWM modulation control circuit and discharge circuit design. The design has the characteristics of energy saving， long service life， saving device and human cost.
关键词： 超级电容；电子式电能表；充电电路；PWM控制电路；放电电路
Key words： super capacitor；electronic watt-hour meter；charging circuit；PWM control circuit；discharge circuit
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0106-03
0 引言
随着科学技术发展，电子式电能表取代机械式电能表已近完成，而电能表作为电能计量标准器具，其数据安全对于国家电网、电力局和终端客户都是最为重要的内容。据不完全统计，1986年以来国内电能表更替数量约10亿只，其中电子式电能表已超过4亿只，亦有4-5亿只迭代需求，另海外有至少5亿只的市场容量，作为电子式电能表的心脏―电源，直接关系到电能表的使用寿命和数据安全。目前绝大多数电子式电能表用锂电池，锂电池本身固有缺陷如不可重复利用，污染环境，废电池不易回收，环境温度过高易发生爆炸等。在此种背景下，电容器的发展逐渐达到法拉级，并且具有10万次以上的充电寿命，过充过温无危险，大能量体积比，被各界称为环保绿色能源。另外由于等体积超级电容所含的电能接近锂电池的容量，所以超级电容作为一种新型储能装置，具有显著的特点和优势，可以在某些领域取代传统蓄电池。考虑设计一种电路，超级电容能适合不同的供电电源，整个电能表平稳工作，从而为电能表数据安全的提供可靠保障。
电路总体架构：
本设计电路总体结构如图1所示。它包括充电电路、PWM调制控制电路、超级电容电路、放电电路。
架构图可以清晰看出，充电电路经过PWM调制控制电路，对超级电容选择电路的充电，进而通过放电电路实现对主板的供电。各个电路参数相互影响，故设计上，需综合考虑才能使整改电路利用更实用更可靠。
整个实际电路设计主要从以下方面考虑：
A、 超级电容选型；
B、 充电电压设计；
C、 PWM调制控制与供电电源相关性；
D、 超级电容电压检测与主芯片运行机制；
E、 放电电阻选型。
基于上述几方面考虑，整体参考电路图如图2所示。
各参数解释如下：
VCC：超级电容充电电压；
VBAT：主芯片掉电供电电压；
CAPCON：PWM调制引脚；
XJ1：超级电容短接点；
JP5：超级电容电压测试点；
R918：充电限流电阻；
V909：PNP型三极管；
910：双二极管或二极管
R925：V909基极射极反馈电阻；
R927：基极限流电阻；
V911：NPN型三极管；
R929：V911基极射极反馈电阻；
R932：基极限流电阻；
C920：超级电容1；
C923：超级电容2；
C919：超级电容3；
C918：超级电容4。
结合参考电路设计，对各方面注意点进行详细分析阐述。
1 超级电容选型电路
超级电容选型电路，如图3所示。
1.1 超级电容定义
超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器（Electrochemical Capacitors），双电层电容器（Electrical Double-Layer Capacitor）、法拉电容。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
1.2 超级电容主要参数
电压、容量、极性、温度、自放电与漏电流等。
1.3 超级电容分类
按作用原理：主要划分成双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器等两大类；
按电解质：主要包括水性电解质、有机电解质两大类；
按外形： 主要分为柱状、纽扣状（V型、H型、C型）两大类；
按温度特性：主要分为普通、抗高温型两大类。
1.4 超级电容选型
超级电容在电子式电能表中应用主要从下几方面筛选：
①电压：电子式电能表系统电源为3-5V系统不等，而在该范围可以柱状体单颗2.75V或3V，纽扣状单片1.4V或2.75V，所以大多数使用需选择两颗串联方式已达到系统使用条件，但此时需注意两颗串联需加平衡电路或转对批次进行严格筛选，否则可能出现单颗过冲损坏现象；
②容量：根据掉电使用时间或数据保存时间进行选择，一般选择常规值有0.22F，0.5F，1.0F，1.5F，2F，4F，5F等，使用过程中可据实际情况选择搭配，如单颗无法满足需求可使用两颗或多颗并联达到理想容值；
③温度：根据实际使用环境温度进行选择，普通温度为-25-65℃，抗高温为-25-85℃。另温度对电容寿命影响较大，业内一致认定温度每升高10℃，寿命减少一倍；
④外形：根据实际PCB尺寸，尽可能选择小型化，柱状或V型纽扣状，以实现尽可能少占空间。
基于上述几方面原因整体参考电路分别配置并联（C920、C923并联）、串联（C919、C918串联）方式原理图，XJ1为生产短接点，JP5为超级电压测试点，主要考虑产品生产所用，具体使用可据实际情况灵活选择。
另需注意：超级电容制作过程本来无极性，仅出厂前进行充电后确认极性，实际使用过程中反响充电不会坏，但影响使用寿命和实际容量。
2 充电电路设计
充电电路主要包括VCC、R918、V909、VD910，如图4所示。
2.1 超级电容充电电压
VCC为超级电容充电电压，该值根据主芯片或备用电源系统进行选择，同时结合超级电容额定电压、控制电路三极管压差和二极管压差综合考虑，如主系统工作范围为2.7-5V，工作范围较宽，工作时间为40h，V909导通电压为0.3V，VD910导通电压0.3V，故此时VCC选择应为5.5V，以为落在超级电容两端实际为4.9V，如此设计可既满足电压设计有留有余量，因为充电电压在温度稍高情况下，亦会影响超级电容本身寿命，部分生产厂家非正式提出对应关系，充电电压每下降0.1V，超级电容寿命增加1倍，但需要实际数据支撑。
2.2 充电限流电阻
R918为充电限流电阻，该电阻阻值选择主要取决于充电电源供电能力。阻容电源供电能力较弱，选用阻值需相对较大，是整个充电电流在5-10mA，以上述4.9V充电电压为例，阻容半波电源宜选用5mA，电阻应为980欧，但选标称阻值应为1k欧，具体可根据实际情况进行自选，可参考计算公式，如公式1所示。
R=U/I （1）
2.3 控制三极管
控制二极管主要作用为控制充电的通断，进而实现电子式电能表电源的稳定；V909为PNP型三极管主要考虑控制方向、功耗等级、压差，根据实际电路而定，现参考电路选择PNP性三极管集电极发射机导通后电压为0.3V左右，高温情况下，压差会有所减少。
2.4 二极管
VD910二极管主要起到单相导通作用，防止超级电容电压反灌会充电回路，可据实际电路选用肖特基（肖特基二极管为0.3V）或普通二极管（4007二极管为0.7V），一般压差越小越理想。
3 PWM调制控制电路
3.1 PWM波形调制原理
PWM波形有三个参数，分别为周期T，脉冲宽度t1，脉冲空宽度t2。三者关系为T=t1+t2。
该PWM调制波型和充电电源供电能力和超级电容两端电压有关系。如充电电源供电能力较弱或超级电容电压较高，可PWM调制波可控制占空比较小，其他可据后续变化，按比例调整占空比，可参考公式，如公式（2）所示。
τ=t1/T（2）
τ为占空比。
PWM波形调制，实际调制脉冲宽度t1，即τ值。
CAPCON为芯片控制引脚，取决于芯片定时器输出的数字信号，直接控制开关三极管的通断，进而实现超级电容的充电状态。
3.2 开关三极管
V909、V911为PWM调制控制电路开关三极管，主要根据控制脚的指令惊醒通断点，该处三极管选择尽可能压差小为优，另选择PNP、NPN型相互配合。
3.3 反馈电阻
R925、R929为两个开关作用三极管反馈电，阻值可据实际情况进行选择。
3.4 限流电阻
R927、R932为限流电阻，控制开关三极管的基极，阻值可据实际情况进行选择。
4 放电电路
放电电路如图6所示。
4.1 保护电阻
R931为放电电路保护电阻，防止静电等意外高压对主芯片I/O口的冲击，同时防止超级电容的过放，该阻值选择一般需考虑电阻功耗、放电电流、芯片工作范围，需据实际电路选择标称阻值，兼顾阻值尽可能小原则，如放电电电流为30uA，最小电压工作范围2.7V，R931选用了0.125W，5.1欧电阻。
4.2 电压检测引脚
VBAT为芯片掉电供电引脚同时具备电压检测功能，芯片需据该点电压值进行PWM调制波型，另掉电后可据电压检测实际值，调整软件处理方式，从而提高数据及系统运行可靠性。如检测到电压已掉落到工作范围边缘，软件可控制不进行数据存储和其他数据处理，程序仅运行值规定的范围内知道电源恢复正常为止，进而实现系统可靠性运行。
作为电子式电能表备用电源，本设计与锂电池对比如表1。
5 总结
超级电容器作为新兴的电源方案，其无以伦比的优势，逐渐在各行各业广泛使用，但在使用过程中并非每一个方面都是优越的，这就要求在运用超级电容器时能熟练掌握该装置的优缺点。受到制造技术的限制，我国在使用超级电容器时还存在安装、调试、材料等方面的不足。不少设备因盲目使用超级电容器造成电路故障，影响了整个设备性能的发挥。
本设计采用独特的设计思路，且在电子式电能表上已经过大量时间、实验的验证，可高效、可靠的应用于电子式电能表上，其他电子产品可据上述分析，适度取用。
参考文献：
[1]麦崇，苏开才.电力电子技术基础[M].广州：华南理工大学出版社，2003.
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[4]朱磊，等.超级电容器的研究及其应用[J].2003.
[5]张劲松.超级电容器的原理及应用[J].职业，2009.
篇3
A股上市公司中，江海股份(002484))通过收购日本ACT和和投资VOLTA公司，掌握了全球领先的超级电容技术；铜峰电子(600237)通过与国内一流院校合作，超级电容器产品单体性能已于国际主流的Maxwell产品相当。
早间新闻
1、近日，央行办公厅下发《关于进一步加强无证经营支付业务整治工作的通知》(以下简称通知)，针对无证支付机构进行集中整治，同时下发了持证支付机构自查内容和无证机构的筛点、认定标准说明。
2、今年以来，自由贸易港建设驶出了“加速度”。上海立信金融学院自贸区研究院副院长肖本华昨日在接受《证券日报》记者采访时表示，自由贸易港建设还处于制定和征求意见过程中，其中上海市已将方案报送国家有关部委征求意见，下一步将会同有关部门做好区域围网、监管平台建设等工作，为正式启动做好准备。乐观预计，2017年年底将形成上海自由贸易港建设方案。
3、上周(11月20日~11月24日)沪深交易所公开渠道共发出问询函件17封(已披露)，相比前一周有所下降(前一周27封)。其中，深交所发出8封问询函，上交所发出9封。另外，上周沪深交易所共发出关注函件8封，监管函1封。在各类问询函件中，年末突击卖资产成为近期监管关注的重点。
中办国办：印发推进互联网协议第六版规模部署行动计划。
人民日报：M2增速降低不会对经济产生较大负面影响。
发改委、交通部：24日印发《铁路“十三五”发展规划》，鼓励采用股权投资方式推进铁路混合所有制改革。
篇4
关键词：超级电容器；电极材料；复合材料
随着全球资源匮乏、生态环境遭到破坏和气候变暖等问题的出现，人类将更加关注太阳能等可再生能源的应用。但是可再生能源本身的特点决定了这些发电形式和电能输出常常受到季节、气侯和地域的影响，具有明显的不稳定性和不连续性。要解决这一缺陷必须要发展与之配套的高效储能装置，而超级电容器是一种介于二次电池和常规电容器之间的新型储能装置。同时兼有常规电容器大功率密度和二次电池高能量密度的优点，且超级电容器还具有无污染、使用温度范围广、安全性高等特点，故超级电容器在新能源发电等领域中具有广泛的应用前景。近年来，科研人员先后开发使用了多种电极材料，大致可将其分为三大类，即碳基电极、金属氧化物、导电聚合物。
1 碳基电极
在目前使用的超级电容器中，应用最广泛的电极材料就是具有高比表面积和多孔结构的碳材料。至今报道过的碳材料有碳纤维、碳纳米管以及石墨烯等。碳基材料是利用双电层储能原理，即在电解液中的电极表面与溶液两侧分布电荷数量相等，但是符号相反的离子层，在电极上和溶液中形成了两个电荷层，即常说的双电层，于是相间产生了电位差，故可通过这个原理，通过增大碳材料的比表面积来提高超级电容器的比电容。
炭纤维在性能方面较活性炭材料相比，具有更大的优势，其孔道畅通，不同孔径间连接比较紧密，有利于电荷的吸附和电解液的传输，同时耐热性优良、膨胀性低并且具有良好的化学稳定性，故是优良的电极材料。2014年5月Hsu等[1]通过静电纺丝技术由N、N-二甲基甲酰胺、聚丙烯晴（PAN）和聚丙烯晴-丁二烯（PAN-co-PB）制备了相互连接的碳纳米级纤维，其制备的碳纳米纤维经电化学测试显示出高比电容量和良好的循环寿命，证实了相互连接的碳纳米纤维在超级电容器应用中的优势。另一种碳基材料石墨烯在超级电容器应用领域具有巨大的潜力，其具有超大比表面积、高电导率和化学稳定性等优异的特性[2]。但在实际应用中，石墨烯自身还是存在着一定缺陷，例如其表面难以被电解液润湿，亦或石墨烯片层之间较强的范德华力造成的团聚现象，因此对石墨烯的研究还在进一步探索。目前解决办法一是非共价键的表面改性，二是利用过渡金属氧化物对石墨烯进行表面改性从而提高其应用范围。
2 属氧化物
以金属氧化物作为电极材料的超级电容器属于法拉第赝电容，赝电容不仅在电极表面上产生，也可以产生于整个电极内部，故可得到比双电层电容更高的电容量。金属氧化物电极材料的电容量通常可达到双电层电容的10～100倍，由此可见金属氧化物具有很好的应用前景。用于超级电容器的金属氧化物以氧化钌为代表，虽然其具有较高的比电容量和导电性，但由于成本过高限制了其商业化应用。因此，近几年研究的重心主要集中在氧化i、氧化钴等较便宜的金属材料上。
二氧化锰材料具有对环境友好、价格低廉以及电化学工作窗口宽的特点，并且二氧化锰电极材料的超级电容器可采用中性电解质溶液，如Na2SO4的水溶液，而不像其他金属氧化物超级电容器必须采用强碱或强酸的电解质，这就使二氧化锰基超级电容器更加环保，并且组装及使用更加方便和安全。此外将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域，可利用纳米级二氧化锰电极材料高的比表面积、较短的电子输运距离，来大大提高其电化学活性。1999年Goodenough等人首次研究了无定型二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用，其利用共沉淀法制备二氧化锰电极材料的超级电容器，在2 mol/L的KCL电解液中，比电容可达203 F/g[3]。自此，还有很多类型的二氧化锰电极材料得以发展。另外Kuang等[4]合成了蒲公英形态的NiCo2O4介孔微球，研究表明用这种材料作为超级电容器的电极，拥有很好的大电流放电能力和优秀的循环放电寿命，具有良好的应用前景。
3 导电聚合物
相比与前两种电极，导电聚合物是一种新型的电极材料，其比电容通常是碳基材料的2～3倍，并兼有成本低、充放电时间短等优势。导电聚合物是通过充放电过程的氧化还原作用，在聚合物膜上产生快速n型或p型掺杂、脱掺杂来储存高密度电荷从而产生大法拉第电容。目前，常用的材料有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）等具有共轭结构的聚合物及其衍生物。
Yue等[5]将聚吡咯包裹在棉纤物表面上，制作成了一种可长短伸缩的电极，其原理是利用乙腈和对甲苯磺酸的混合液通过电化学聚合法将聚吡咯涂于棉纤物表面。在1.0 mol/L的NaCl电解液中该材料的电极表现出很好的应张力，并且能够保持良好的循环稳定性和伸缩性。
目前，复合材料展现出优异的高比电容和稳定性的特点，利用不同材料间的协同作用，通过复合、掺杂等方式来实现材料的复合化；以及实现电极材料的纳米化，来改善电子、离子传输扩散路径，从而提高电极性能，是未来研究的主要方向。
参考文献
[1] HSU Y H， LAI C C， HO C L， et al. Preparation of interconnected carbon nanofibers as electrodes for supercapacitors [J]. Electrochim Acta， 2014， 127（1）： 369-376.
[2] 滕牧.石墨烯基材料在超级电容器中的应用[J]. 电子元件与材料， 2014， 33（9）： 11-13.
[3] Lee H Y， Goodenough J B.[J]. Solid state chem， 1999， 144：220.
篇5
关键词 微电网；超级电容器；电能质量
中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）98-0080-02
随着社会的发展，人们的关注点不仅仅着眼于技术的发展，也开始关注绿色能源和生态环境。诸如风力发电、光伏发电等可再生发电单元都可以通过微电网整合在一起。微电网在运行中会出现电压暂将、瞬间停电会影响到其稳定性。本文提出在将超级电容储能系统应用于微电网中，应用其特性，解决微电网中出现的一些电能质量问题。
1 微电网
1.1微电网概念
微电网也称微网，是由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能偶实现自动控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可孤立运行。它是相对于传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。
1.2微电网中存在的电能质量问题
微电源是微电网的重要组成部分。微电源主要来源于容量为几千瓦到几十兆瓦的可再生能源，如风力发电、太阳能发电等。在微网上，由风力发电、光伏发电组成的微电源可实现互为补充，通过公共耦合点各微电源还可并联于大电网。但由于再生能源本身的缺陷，如风力不稳定，太阳能昼夜不均等，在供电过程中会出现不稳定和不连续的问题，会直接影响到微电网的供电质量，出现电压暂降、电源中断等问题。而近年来，由于大容量非线性负荷接入电网，其产生的变化速度快、持续时间短的冲击负荷影响到电网的稳定运行。电网参数可能会受到短时电压中断或电压暂将的影响，直致混乱 。冲击负荷对规模小、惯性不大的微电网的影响更是十分严重的。
2超级电容器
2.1超级电容器简介
超级电容器也称为电化学电容器。其极板为活性炭材料，具有极大的有效表面积，容量大。超级电容器利用电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子层，从而达到保存能量的目的。充电速度快，在数分钟甚至几十秒内完成整个充电过程。因此超级电容器具有功率密度大、能量密度高、充放电时间短、使用寿命长、不易老化的优点 。
超级电容器短时放电能量足可满足5s的电压暂降或者短时中断的要求，瞬时特性强，而且放电后充电速度快，短时间内即可充满电，维护工作量小，通过模块化实现扩容。微电网中出项的电能质量问题通常具有出现频率高、持续时间短的特点。而上述问题可利用超级电容器充放电速度快，短时释放能量高的特性来解决。
2.2超级电容储能系统
正常运行时，储能系统将整流器提供的直流电能存储于超级电容器中，当供电系统不稳定或负荷侧波动较大时，系统所需的能量可以通过逆变器将超级电容器中存储的能量提取出来供给负荷，使供电质量得到了保证。
3 超级电容器用于改善微电网电能质量
3.1提供短时供电
微电网可运行于以下两种模式：第一种模式为并网模式，微电网中的频率和电压调节是由大电网负责，主电网提供微网中的功率不能满足负荷要求时缺少的那一部分能量，另一种模式为孤岛运行，微电网提供负荷需要的全部能量，各微电源之间通过调节各自的能量输出，在微网内实现了功率平衡的要求。并网模式与孤岛模式两者之间可实现相互切换。但在切换过程中，功率不平衡的现象时有发生，利用超级电容器功率密度大，放电速度快，容量大的特点，提供短时供电，从而避免出现供电波动等电能质量问题，实现了两种模式的平稳过渡。
3.2提供能量缓冲
由可再生能源如太阳能、风能、生物能提供的微电源，其受外界环境影响较大，风力的不稳定、太阳能的不均衡，使时时输出功率极不稳定，输出的总功率不能处于一个稳定值的范围内，影响了微电网的稳定运行。超级电容器功率密度高，当负载侧需求较低时，超级电容器储存多余的电能，一旦出现负荷突变或是其他功率供应不足时，将超级电容器中存储的电能释放出来，提供缺少的那一部分能量，缓解暂时的能量供应问题。微电网中存在的电梯、地铁站中的负荷，启动电流较大，产生很大的负面冲击，将超级电容器加入微电网中，适时的提供一部分能量，起到缓冲作用解决了电压骤降的问题。
3.3提高微网电能质量
孤岛模式运行下微电网的功率输出由微源提供，要求微源提供的电压和频率要稳定在一个规定的范围，提供稳定、可靠的电能供应给负荷；此外，微电网要实现并入大电网，对微电网的要求也是十分高的，如电流谐波畸变率、负荷功率因数等方面必须满足要求。
超级电容器储能装置通过逆变器将存储的直流电逆变为交流电后为用户及电网提供功率保证，电能质量得到了提高。对于电网中出现的电压波动、瞬时功率供应不足的问题，利用超级电容器充放电速度快的特点，也可以得到很好的解决。
4 结论
超级电容器具有功率密度大、能量密度高的特性，将其作为储能装置应用于微电网中，作为能量补充，解决了由于微电网中出现的电压暂将、短时中断等电能质量问题。
参考文献
[1]郑漳华.微电网的研究现状及在我国的应用前景.电网技术，2008（16）.
[2]曹伟. 新型电能质量调节器的研究天津大学硕士论文，2011.
篇6
[关键词]超级电容器 可再生能源应用 工业应用 交通应用
中图分类号：F274；F426.22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0054-02
随着环境污染的日益加剧，需要高效、洁净、绿色、可再生的能源替代传统能源，在使用过程中减少环境污染。同时，各种用于储存能源的装置也逐渐引起人们重视。目前，常用的储存能量装置有铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等。其中，超级电容器以其优异的充放电寿命、高功率密度、环境友好等特点，得到更为广泛的应用与研究。超级电容器常见的应用领域包括：消费电子、后备电源、电动汽车、可再生能源发电系统、军事装备领域、航空航天等[1]。本文主要从超级电容器的应用角度入手，探讨近年来超级电容器在各方面应用的进展以及新的发展方向。
超级电容器作为产品已日趋成熟，与其他超级电容器相比超级电容器的工艺技术成熟度更优。随着生产工艺的不断进步，其应用范围也得到不断扩展，在工业、消费电子、通信、医疗、国防、军事、交通等领域都有着越来越广泛的应用。从小容量的储能到大规模的电力储能，超级电容器都展示了独特优越的性能，以及超长的充放电寿命[2]。以下分别介绍超级电容器在可再生能源领域、工业领域、交通领域中的应用及原理。
1.可再生能源领域
超级电容器在可再生能源领域的应用主要包括：风力发电变桨距控制，提高风力发电稳定性、连续性，光伏发电的储能装置，以及与太阳能电池结合应用于路灯、交通指示灯等[3]。
1.1.风力发电
超级电容器在风力发电变桨距控制的应用原理是通过为变桨系统提供动力，实现调整桨距。平时，由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器储能电源充电，直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要为风力发电机组变桨时，控制系统发出指令，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。这样即使在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力[4]。以此保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率，延长发电机的寿命。
1.2.在光伏发电方面的应用
在光伏发电系统中应用超级电容器作为辅助存储装置主要为了实现以下两方面作用：首先，作为能量储存装置，在白天时储存光伏电池提供的能量，在夜间或阴雨天光伏电池不能发电时向负载供电；其次，与光伏电池及控制器相配合，实现MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）控制[5]。
由于光伏发电产生的功率会随着季节、天气的变化而变化，即无法产生持续、稳定的功率。所以超级电容器还常常会被应用于光伏发电的储能装置。即增加超级电容器后，可实现稳定、连续的向外供电，同时起到平滑功率的作用。P. Thounthong等人研究了光伏发电-超级电容器相结合的能源系统。通过增加了超级电容器，光伏发电可以输出更为平稳的电能[6]。
2.工业领域的应用
超级电容器在工业领域可以应用于叉车、起重机、电梯、港口机械设备、各种后备电源、电网电力存储等方面。
2.1.在起重机等设备方面的应用
叉车、起重机方面的应用是当叉车或起重机启动时超级电容器存储的能量会及时提供其升降所需的瞬时大功率。同时储存在超级电容器中的电能可以辅助起重、吊装，从而减少油的消耗及排放，并可满足其他必要的电气功能。Sang-Min K.等人研究了将超级电容器结合起重机的柴油发动机混合动力，旨在提高发动机的节油量[7]。经过超级电容器辅助发动机启动，效果如图1所示，其中PLOAD为启动所需功率，PGEN-DC为柴油发动机产生功率，PSC为超级电容器提供功率。可以看出超级电容器能够提供所需的脉冲功率，可大大提高发动机的节油量。
2.2.在UPS方面的应用
在重要的数据中心、通信中心、网络系统等对电源可靠性要求较高的领域，均需采用UPS装置克服供电电网出现的断电、浪涌、频率震荡等故障。用于UPS装置中的储能部件通常可采用铅酸蓄电池、飞轮储能和燃料电池等。在电源出现故障的一瞬间，以上的储能装置中只有电池可以实现瞬时放电，其他储能装置需要长达一分钟的启动才可达到正常的输出功率。但电池的寿命远不及超级电容器，且电池的使用过程中需要消耗大量人力、物力对其进行维修维护。所以超级电容器用于UPS储能部分的优势就显而易见。Z Chlodnicki等人[8]将超级电容器用于在线式UPS储能部件，当供电电源发生故障时可以保证试验系统继续运行。
2.3.在微电网方面的应用
超级电容器储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，可以提供有效的备用容量改善电力品质，改善系统的可靠度、稳定度[9]。超级电容器储能系统的基本原理是三相交流电经整流器变为直流电，通过逆变器将直流逆变成可控的三相交流。正常工作时，超级电容器将整流器直接提供的直流能量储存起来，当系统出现故障或者负荷功率波动较大时，通过逆变器将电能释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。
3.交通领域的应用
超级电容器在交通领域中的应用包括汽车、大巴、轨道车辆的再生制动系统、启停技术，以及卡车、重型运输车等车辆在寒冷地区的低温启动等。
在地铁车辆在运行过程中，由于站间距离较短，列车启动、制动频繁，可利用超级电容器将再生制动产生的能量储存起来，该能量一般为输入牵引能量的30%甚至更多。在国外超级电容器已经实际应用于轨道交通再生制动能量回收存储系统中。文献10指出加拿大的庞巴迪公司推出了基于超级电容器的能量回收系统MITRIC，并在其国内投入使用。正是由于超级电容器可以存储非常高的能量并且可以在短时间内释放出，从而可以将轨道车辆在制动时产生的电能存储起来，在列车再次启动时，这部分能量可再次被利用，使得列车运行能耗得到明显降低。
卡车等重型运输车辆在寒冷地区启动时，蓄电池性能大大下降，很难保证正常启动。超级电容器工作温度范围是-40℃～65℃，在低温环境下有较好的放电能力，当汽车处于低温环境时，蓄电池放电能力下降，通过超级电容器与蓄电池并联来辅助汽车启动，可以确保启动时提供足够的启动电流和启动次数，来保障汽车的正常启动。同时，在此过程中，避免了蓄电池的过度放电现象，对蓄电池起到极大保护作用，延长铅酸蓄电池的寿命[11]。
电动汽车的动力源包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。普通电池虽然能量密度高、行驶里程长，但是其充放电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。与之相比，超级电容器功率大、充电速度快，输出功率大，制动能量回收效率高。当电动汽车或混合动力汽车在加速过程中，超级电容器还可以通过提供瞬时脉冲功率，极大地减少汽油等燃料的消耗[12]（如图2所示）。
4.结语
目前，超级电容器在世界范围内都属于朝阳工业，掌握相关技术并实现工业化的国家寥寥可数。但是未来几年内，随着社会经济的不断发展，高比容量，高比功率的超级电容器必将激发一个巨大的新市场。其应用领域涉及社会发展的方方面面。未来超级电容器发展的方向是采用何种电极材料、何种方法，提高它的比能量、比功率及寿命，从而扩大它的使用范围[13]。
参考文献
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[8] Z Chlodnicki， W Koczara. Hybrid UPS Based on Supercapacitor Energy Storage and Adjustable Speed Generator[J].Compatibility in Power Electronics， 2007，7：1-10.
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【关键词】超容量用电 违约用电 稽查监控 依法用电
10kV专变用户以及综合变压器下的动力用户用电负荷突增使得变压器过载严重、线路电压质量下降，不但对电网和客户本身带来了严重安全隐患，还严重影响了其他客户的用电需求，同时也会给供电企业造成了较大的经济损失。
因此，分析超容量用电的现状、产生原因和危害，如何通过事前宣传防范、事中监控、事后分析处理的方式减少和避免超容量用电的发生，是本文讨论的方向。
1用户超容量用电的现状
1.1 什么是超容量用电
超容量用电是指超过合同约定容量用电的行为，是一种比较常见的违约用电行为。根据《电力供应与使用条例》第五章第三十条第二款“用户不得有下列危害供电、用电安全，扰乱正常供电、用电秩序的行为：”“（二）擅自超过合同约定的容量用电”。
1.2 超容量用电产生的原因
超容量用电一般由以下两种原因产生：
（1）部分用户依法用电意识淡薄，认为自己只要按规定缴纳电费用多少电都是合法的行为，不知道超容量用电属于违约用电行为，甚至不知道用电容量增加了需要向供电部门提出增容申请。
（2）部分用户知道该行为属于违约用电行为，且用户申报的用电容量已经无法满足自身需要，但为了少交电费、不交增容改造费用，而故意超容量用电。
2 超容量用电的危害
2.1 超容量用电造成的危害
超容量用电会导致变压器所在线路或变压器下其他用户电压下降，会导致部分用户的用电设备无法正常使用，严重时还可能导致超容变压器及配电设备烧毁，影响配网的供电可靠性。超容量用电使得安全和谐的用电秩序、电网运行的安全可靠都得不到保障。电压质量不高、设备烧毁引发的停电，还会一起用户投诉日益增多，造成供电公司承诺的优质服务无法兑现，对社会的和谐稳定也会造成一定影响。
2.2 超容量用电造成的经济损失
2.2.1 因变压器等供电设备烧毁造成的经济损失
频繁、长期的超容量用电很容易造成变压器的烧毁。综合变压器一般属于供电企业的资产，专用变压器一般属于用户的资产。当出现变压器烧毁情况时，即使不考虑因停电给企业和社会带来的损失，变压器的产权所有人一般也需要负担起变压器维修或者更换的费用，变压器的购置和更换费用随着变压器的容量增大也越贵，一般为几万元甚至几十万元。
2.2.2 给供电企业造成的电费损失
10kV专变用户的超容量用电，有很多都伴随着用户逃避电费的行为。下面分别以大工业用户超容和分时用户低谷超容为例，分析供电公司的电费损失。
当用户执行大工业电价时，用户超容则供电企业少收基本电费。假设用户用电变压器容量315kVA，电压等级为1-10kV，用户本月力率为0.9，根据河北省北部电网销售电价表平段电价为0.5557元/千瓦时，变压器容量基本电价为23.3元/千伏安/月。为简化处理暂时不考虑用户执行分时电价，设用户超容率为d%。
当用户执行丰谷分时电价时，用户低谷用电超过理论低谷最大用电量，还会造成供电企业直接的电度电费损失。
当分时用户低谷超容，假设用户用电变压器容量200VA，用电类别为一般工商业及其他用电，电压等级为1-10kV，用户本月力率为0.9，根据河北省北部电网销售电价表平段电价为0.7433元/千瓦时、谷段电价为0.3367元/千瓦时。
3 用户超容量用电的防范和处理
3.1 用户超容量用电的事前防范
《电力供应与使用条例》、《供电营业规则》等法规、规定中对超容量用电都有明确的规定和处罚措施，供电企业可以通过对用户电力法规的普法宣传，使用户明白超容量用电属于违约用电行为，一经发现会受到相关的处罚，可以一定程度上减少超容量现象的发生。
3.2 用户超容量用电的事中监控
供电企业可以建立负荷控制系统对10kV专变用户的负荷进行实施监控，当用户瞬时超负荷或短期超负荷时，对用户进行短信提醒或者直接对用户用电进行限制。
现在电网公司使用的电表多为支持远程采集的智能电表，也可以通过电表的智能采集系统进行电量估算，防控超容量用电的发生。
用户超容量用电属于危害供用电安全、扰乱正常供用电秩序的行为，属于违约用电行为，根据供电营业规则第一百条第2款“私自超过合同约定容量用电的，除应拆除私增容设备外，属于两部制电价的用户，应补交私增容设备容量使用月数的基本电费，并承担三倍私增容量基本电费的违约使用电费；其他用户应承担私增容量每千瓦（千伏安）50元的违约使用电费。如用户要求继续使用者，按新装增容办理手续”。
4 结束语
供电企业应合理的宣传、监控及处罚超容量用电的违约用电行为，保证电网的供电安全和供电秩序的正常和稳定。
参考文献
[1]万晓，刘建平.农村电网超容量用电的危害与整治[J].电力需求侧管理，2011，05：56-57.
[2]顾江，张敏.营销稽查监控系统的应用探索与实践[J].大众用电，2011（12）：8-10.
[3]向满艳.电力客户超容量用电稽查主题分析与处理规范[J].中国高新技术企业，2014（27）：159-160.
[4]王海燕，孟昭霞，侯锐锋，赵阳立，李孟兴. 营销稽查监控系统的建设与应用[J].电力信息化，2012（03）：72-76.
作者简介
程杰（1981-），男，现为华北电力科学研究院有限责任公司工程师，主要从事营销业务质量监控分析及现场稽查工作。
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经济增长的内生动力依然缺乏
今年第1季度国内生产总值增长8.1%，总体来看，增速趋缓；连续五个季度呈逐季下降态势。经过30多年高速的经济增长，中国经济增长潜力已经明显下降，因此，增长趋缓是必然的和不可避免的。调低增长目标和增长实绩下降就是对这种情况的确认和确证。
有些问题是值得认真思考的。一是关于经济增长内生动力问题。一方面增长目标下调，增长实绩趋缓，另一个方面，从今年两会上反映出来的情况看，各个地方都雄心勃勃，大干快上。辽宁今年的增长目标是11%，北京、上海也都在8%以上，8%以下的几乎没有，山东战略性新兴产业计划投资10亿元以上的大项目有40个，整个投资的规模可想而知。有人认为，这表明中国经济增长的内生动力增强。其实，此说似是而非。所谓经济增长的内生动力主要不是政府的能力，而是市场机制的作用和效力，是投资方式、结构和效率的改善和提升，如果不改变现行政府主导的体制和官员政绩考核的方式，能改变唯GDP的增长吗？如果不抑制国有部门的垄断和扩张，不限制和减少资产泡沫，以及银行金融等部门的超额利润和利益激励，实体经济能得到加强吗？我们仍然把政策的重点放在扩大政府权力和增加政府能力方面，而不是市场机制的培育和作用方面，经济增长的内在动力如何增强？
二是关于经济增长的趋势问题。一方面，经济运行出现某些回暖迹象，如3月份的工业生产、消费品销售、出口增长和信贷投放都高于前两个月，经济运行的先行指标，如制造业采购经理指数、企业景气指数和企业家信心指数也出现回升，于是很多人预测，2季度有望企稳回升。这种可能性是存在的。另一方面，经济下行的风险依然存在，经济效益下滑，据千户企业快速调查发现，1季度仅四成企业盈利，营商成本上升，中小企业破产跑路的事件接连发生，温州的问题还未解决，江苏也出现了类似现象，半年来省内已有20多起因民间借贷而起的“跑路”和纠纷，涉及金额60多亿元，今年1季度，南京已有五六个企业家命丧民间借贷，有5000多家中小企业处于生死存亡的边缘。如果经济增长在短暂回升以后进一步下滑，情况会怎么样？这是不能不考虑的问题。
有人认为，宏观调控不会再走“放水”的老路。依据的是中国广义货币的余额已达90万亿元，是GDP的2倍多，表明货币水池中的水已经相当深。在体制机制不变的情况下，如果经济增长下降超过政府容忍的限度，不放水还有什么办法？目前的政策很明显是稳中趋松，3月份的新增贷款已经突破1万亿元大关，3月末人民币贷款余额57.25万亿元，增长15.7%。在1季度经济增长下降超过预期，物价走势不明的情况下，“稳增长”会受到更大重视，货币政策稳中趋松的方向也不会改变。更为重要的是，在这个问题上，中央和地方、地方和地方间的利益并不一致，多方的博弈也很激烈。中央政策的取向是稳一点，慢一点，加快调整和转型，各个地方的共同想法是，别人慢一点，我的快一点，以便创造更大的政绩和取得更多的利益。因此，超过潜在增长率的实际增长是各个地方的共同选择。只有遇到危机大家才能真正清醒一点。
通胀有长期化的趋势
今年1季度CPI上涨3.8%，其中3月份上涨3.6%，比上月提高0.4个百分点。如果说一季度的经济增速下滑超过预期，那么，3月份通货膨胀上升也出人意料。其所以如此，原因在于人们希望价格下跌，2月份也的确下降不小，于是把愿望当成现实，而忽视了通货膨胀有可能长期化的趋势。在世界主要经济体都实行宽松货币政策的情况下，大宗商品价格很难跌落。中国已经走过了低成本扩大的时代，进一步的调整和转型首先需要价格信号的调整，这本身又是一个涨价的因素。因为，资源要素价格的管制和价格扭曲已经相当严重，调整和放开都免不了价格上涨。如果久拖不决，扭曲会进一步加剧，放开时的影响会更大。还是长痛不如短痛，晚改不如早改，进行调整不如早点放开。
在国际油价上涨和国内成品油两次提价的作用下，国内出现了一个小小的涨价潮。奶粉涨价先行，国产和进口奶粉涨价10%左右；接着是花生油和菜籽油，涨价8%上下；日化产品也加入了涨价行列，洗发水涨价10%-20%。食品价格与农产品价格高度相关，既受气候和季节性因素的影响，又易于陷入周期性波动，再加上随油价变动而造成的运输成本等因素，现在的价格下跌预示着未来的价格上涨，现在的高价过后也会出现价格下跌。总之，在资源要素价格改革无多大进展的情况下，今年的消费物价不会跌至3%以下，但超过4%的可能性也不会太大。
金融改革依然没有迈出关键一步
在最近一个时期中，温州金融改革试验的启动成为社会关注的焦点。这是对去年“温贷危机”和吴英案的直接回应。后两者表明，现行金融体制已经走入死胡同，改革必不可免，只是时间早晚而已。改革试验把规范发展民间融资作为中心任务，也证明了这一点。如果试验成功，对全国的金融改革都有借鉴意义。
在笔者看了，其最大不足和局限有二：一是没有提出发起设立民营银行的试点。这是国内外关注的焦点。有人也指出了这一点。要知道，村镇银行、小贷公司、农村资金互助社等早已有之，虽然它们也是民营性质，但其存在和发展及其作用和意义不可能与民营银行同日而语。为什么不能名正言顺地提出设立民营银行？既然民营企业可以存在和发展，为什么民营银行不能堂堂正正地放行？自从改革开放以来，中国第一家也是唯一一家大股东是民营企业的民营银行，即民生银行，1996年成立，注册资本13亿元，2000年在上交所上市，目前市值1680亿元，2011年利润增长40.06%，是中国发展最快的股份制上市银行之一。但可悲的是，只此一家，别无分店。可见，近16年来金融业改革的成绩何在？它充分说明，在金融改革的问题上，金融当局和最高决策者的思想仍然固守垄断的老框框不放，不愿走出这根本的一步。
二是回避和删掉了本来就有的利率市场化一项。其实，利率市场化是金融改革回避不了的大事，因为，在利率管制之下，银行的基准利率与市场的真实利率必然严重脱节，这就为寻租和扭曲创造了巨大的空间。在这种情况下，仅仅放开准入，实现民间借贷从“地下暗流”到“地上活水”的身份转变，并不能改善民间金融的运作机制，也无法降低实体经济的融资成本。要知道，“阳光化”是重要的，但阳光化不是目的，而是手段；民间资本其所以希望打破国有金融的垄断而进入银行金融业，与其说是要解决中小企业的融资问题和通过竞争形成有效的金融市场机制，不如说是由于银行金融业高额利润的激励和吸引。如果不通过利率市场化促进银行金融业市场竞争的发展，也许会造成新的扭曲，而无法达到改革的目的。
产权保护关系到社会稳定
产权问题是一个基本的和重要的理论问题，也是我们国家没有解决或者没有很好解决的重大实践问题。产权制度的合理安排、有效实施和切实保护，直接关系人民的福祉、社会的稳定和经济的发展。
然而，我们的政府在这一生命攸关的问题上却一再失误，往往不是保护产权，而是侵犯产权，、合作化、公社化的历史就是侵犯产权的历史。而目前的强行征地拆迁，仍然是这一过程的继续。1999－2011年是中国土地资本化最迅猛的时期，全国土地出让收入12.75万亿元，几乎年均1万亿元，大部分都是地方政府的预算外收入，构成所谓“土地财政”。据中国人民大学等对17个农业大省区的地权调查，43.1%的农民至少经历了一次征地，17.8%的农民遭遇了强制征地拆迁。在征地拆迁中，64.7%的农民得到了一次性的现金补偿，平均每亩补偿18739元，而政府卖地的平均价格为每亩77.8万元，是征地价格的40倍。12.7%的失地农民没有得到任何补偿，9.8%的失地农民得到了补偿的承诺而未能兑现。可见，政府侵权严重到何种程度。而巨额土地出让收入的使用几乎没有一个城市政府向外公布，根本无从监督。财政部的报告显示，2010年国有土地出让收入2.9万亿元，当年安排支出2.6万亿元，其中，49.7%用于征地拆迁补偿等成本性支出，27.9%用于城市建设，用于廉租住房保障支出463.62亿元，占1.59%。
由于产权不能得到有效的保护，人们对个人和国家的前途丧失信心。既然不能用手投票，就会用脚投票，于是，出国移民逐渐成为潮流。据中国银行私人银行与胡润研究院联合的《2011中国私人财富管理白皮书》显示，中国身家1000万元以上的富豪约96万人，其中拥有海外资产的占1/3。据美国移民局的统计，2010年来自中国的投资移民申请数量居全球之冠，是移民局全年发放的EB－5签证的1成，共772人，近5年来，移居美国的中国人人数复合增长率达73%。
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摘要:
针对蓄电池单独作为汽车电源不能满足纯电动汽车短时间功率的需求问题，可采用超级电容与双向DC/DC串联再与蓄电池并联的复合电源来满足汽车功率的需求。利用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，应用Cruise软件快速完成整车模型的搭建，将控制策略添加到整车模型中。仿真结果表明，纯电动汽车复合电源控制策略能够有效地分配蓄电池和超级电容的功率，从而使超级电容充分发挥“削峰填谷”的作用。
关键词:
纯电动汽车;复合电源;模糊控制;联合仿真
0引言
动力汽车要求其车载电源具有充放电功率大、充放电效率高、使用寿命长、容量衰减小等特点［1－2］。而蓄电池单独作为汽车的电源时存在充电时间长、比功率太低，不能满足汽车短时间功率需求问题，严重影响汽车的加速、爬坡、制动性能及能量回收效率，不能完全满足汽车对车载电源的要求［3－5］。超级电容充放电迅速，可瞬间大电流充放电，充放电能力比蓄电池要高100多倍，动态特性很好，循环寿命在10万次左右［6－7］。一种新的汽车电源是将超级电容与蓄电池结合起来使用，由蓄电池提供整车运行期间电机需求的平均电功率，而超级电容则提供电机需求的峰值功率，这样可以充分发挥蓄电池比能量大和超级电容比功率高的优点［8］。针对超级电容和蓄电池构成的复合电源系统，实现能量的合理分配是关键。模糊控制利用人的经验、知识和推理技术及控制系统提供的状态条件信息，不依赖物理过程的精确数学模型，具有较好的鲁棒性，控制性能高，简化了复杂的控制问题［9－12］。Cruise是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性及制动性能的高级模拟分析软件，灵活的模块化理念使得Cruise可对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真［13］。本文采用Cruise/Simulink联合仿真的形式，在基于传统电动车模型的基础上，添加超级电容模型和双向DC/DC模型，利用Cruise搭建整车模型，在Matlab/Simulink中设计了针对复合电源的模糊控制策略，将控制参数进行模糊化处理，并通过MatlabDLL方式进行联合仿真，实现复合电源功率的合理分配，并对模糊控制策略和整车性能进行研究分析。
1复合电源的结构
复合电源主要由蓄电池、超级电容和双向DC/DC组成。复合电源的拓扑结构有很多，例如:蓄电池和超级电容直接并联，蓄电池与双向DC/DC串联，再与超级电容并联［14－15］。本文选择的是超级电容与双向DC/DC串联，再与蓄电池并联共同向负载电机提供电能的方式。复合电源的工作模式为:当汽车正常行驶，需求功率低时，由蓄电池单独向电机供电;当汽车需求功率较高时，蓄电池和超级电容共同给电机供电，并且由蓄电池提供平均功率，超级电容提供峰值功率。当汽车制动时，超级电容优先回收制动能量，在超级电容不能再回收时由蓄电池回收能量。控制策略通过控制双向DC/DC的升降压来控制超级电容的充放电。复合电源组成结构如图1所示。功率总线的功率信息，蓄电池和超级电容SOC(Stateofcharge)等状态信息为模糊控制器控制的输入，经过控制器对功率进行分配。由于汽车在整个运行过程中会经历多种工况，而且交通状况复杂，汽车状态切换频繁，且各种工况下的电机功率、蓄电池、超级电容的状态都各不相同，需要制定合理的功率分配控制策略，使得在保证整车动力性的前提下，利用超级电容高比功率，能够瞬时大电流充放电的特性，为蓄电池“削峰填谷”，减小大电流对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命，提高充放电效率，并且最大限度地回收制动能量，提高整车的效率和经济性［16－18］。
2模糊控制策略模型
利用Matlab中提供的模糊控制工具箱设计了对于复合电源功率分配的三输入、单输出的模糊控制器，输入为汽车的需求功率Preq，蓄电池荷电状态BSOC，超级电容荷电状态SSOC。输出为蓄电池功率分配因子(Kcap)。汽车的驱动电机有电动和发电两种工作模式，在这两种工作模式下系统需求功率大小和波动范围有较大差别，控制的侧重点也不同［19］。因此，在正常行驶与制动两种工作模式下应分别制定复合电源控制策略，即需要两个模糊控制器，它们的模糊控制规则不同，但是两个模糊控制器都是三输入单输出且输入变量和输出变量相同。因此，在Preq＞0和Preq＜0时各设计一个控制器，分别为模糊控制器A和模糊控制器B。当Preq＞0时，设输入量Preq的论域为［04］，模糊集为{S、MS、M、MB、B}，分别表示{小、较小、中、较大、大}。动力电池BSOC的论域为［0．20．9］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}，超级电容SSOC的论域为［0．11］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}。输出量为动力电池功率分配因子Kcap，其论域为［01］，模糊集{S、MS、M、MB、B}，分别表示{小、较小、中、较大、大}。各输入结果如图2所示。当Preq＜0时，设输入量Preq的论域为［－10］，模糊集为{B、M、S}，分别表示{大、中、小}。蓄电池和超级电容的SOC论域、模糊集、隶属度函数和Preq＞0时是一样的。输出量为蓄电池功率分配因子Kcap，其论域为［01］，模糊集{S、M、B}，分别表示{小、中、大}，输入输出量的隶属函数如图3所示。根据前面设计的模糊控制器，在Matlab/Simulink环境下建立复合电源模糊控制策略模型如图4所示，模糊控制器根据输入变量的变化调节输出比例因子Kcap，从而得出蓄电池所分配的功率，因为汽车的需求功率由蓄电池和超级电容共同提供，所以汽车需求功率减去蓄电池所分配功率得到超级电容分配功率。
3整车模型的搭建
将建好的控制策略添加到Cruise中主要有MatlabDLL和MatlabAPI两种方法。联合仿真的结果都可以直接从Cruise获得。但是用MatlabDLL方法仿真的时间比采用MatlabAPI方式短很多。因此，本论文中采用的是MatlabDLL方式。在控制策略模型建好之后，需要进行模型编译，编译完成后生成controler．dll文件，在Cruise模型中放入MatlabDLL接口模块，进行接口模块的参数设置，完成以上设置后，在Cruisedatabus中完成相应的数据通信，即可实现Cruise与MatlabDLL方式联合仿真［19－20］。在进行信号通信时实际上是一个数据交换过程，Cruise通过数据接口将动力蓄电池和超级电容SOC值、电机转速、负载信号、超级电容电压值等信息传递给Simulink中的模糊控制策略模型，之后Simulink模型将超级电容电流、转换开关信号反馈给Cruise模块中的电气终端、电机及驾驶员，以建立Cruise和Simulink之间的数据通信。AVLCruise软件中含有简捷通用的模型部件、易懂的管理系统、可以与Matlab、C、Fortran接口完成复杂控制算法的设计和离线仿真，也可与DSPACE等硬件接口，展开实时仿真，真实模拟车辆传动系统，完成对复杂动力传动系统的仿真分析，整车仿真模型如图5所示。在进行整车建模时，从模块库中直接拖拽部件模块来搭建整车模型。修改部件属性来快速完成整车模型的参数设定并进行部件间的机械连接、电气联接和信号联接。
4仿真结果与分析
采用中国城市道路工况作为本文的循环工况。中国城市道路工况是中国汽车技术研究中心根据我国各大城市的行驶特征研究出的更加适合我国的城市工况。中国城市道路工况如图6所示，工况总运行时间是1304s。工况中最大速度达60km•h－1，其中怠速时间占工况总时间的28．8%，除去怠速部分之后平均车速则为22．6km•h－1。从图6可直观的看到我国交通系统中存在车辆怠速时间长、总体的均车速低、车辆的速度变化频繁等特点。图7是在中国典型城市道路工况下车辆行驶的当前车速度与期望速度变化曲线。从图中可以看出两条曲线基本保持一致，速度没有出现大的波动，这说明车辆的跟随性和平顺性都比较好。图8是在中国典型城市道路工况下，蓄电池和超级电容所需提供的功率曲线图。从图中可以看出在车辆运行过程中由超级电容和蓄电池共同供电，电池提供的功率比较平稳，在6kW左右。在制动时由超级电容吸收峰值功率，最大峰值功率达到10kW。超级电容充分发挥“削峰填谷”的作用，从而验证制定的模糊控制策略的有效性。
5结论
在纯电动汽车的基础上，借助Cruise软件搭建了带有复合电源模块的整车模型。详细介绍了通过联合仿真的方法将Simulink里搭建的策略模块加入到整车模型中的步骤。其他用户可以根据类似方法开发自定义策略和车型。提出超级电容与双向DC/DC并联再与电池串联的复合电源结构。用模糊控制工具箱设计对于复合电源功率分配的模糊控制器，搭建整车复合电源控制策略模块，使得超级电容充分发挥了提供瞬时功率的作用，避免了蓄电池过充和过放，提高了复合电源系统的循环使用寿命。此设计方案和仿真结果对于纯电动汽车复合电源系统的研究具有一定的参考价值。
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