超级电容蓄电池复合电源结构选型与设计精.docx

超级电容蓄电池复合电源结构选型与设计精.docx

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超级电容蓄电池复合电源结构选型与设计精

和平初级中学学生营养改善计划

实施方案

国家实施农村义务教育学生营养改善计划是一项惠及千万农村家庭和儿童少年的民生工程,我校根据文件精神和教育主管部门的要求布置,积极宣传动员、认真落实,并根据我校实际情况制定本方案。

一、指导思想

以科学发展观为指导,认真贯彻落实国家中长期教育改革和发展纲要,坚持以人为本,把实施农村义务教育学生营养改善计划作为为群众办实事、办好事的重大民心工程来抓,切实改善农村学生营养状况,提高农村学生健康水平,促进农村少年儿童正常发育和健康成长。

二、目标任务

通过实施农村义务教育学生营养改善计划,使全校学生在能吃上午餐、晚餐的基础上逐步过渡到吃上卫生、营养、热乎可口的早餐,不断提高少年儿童的营养水平和健康素质。

三、基本情况

和平初中是一所半寄宿制农村独立初级中学,现有14个教学班,学生819名,其中寄宿生558名,已有占地190平方米的食堂一间,我校已与食堂承包人就学生营养餐的供给事宜达成初步协议。

四、学生营养改善具体实施方案

依据我校食堂为基础,以统一提供早餐方式,由学校食堂供餐。

学校加强对食品及原材料的采购、加工、包装、存放等环节的管理与监督,制定科学、安全、高效的操作规程,科学配比膳食营养。

加强对学生的营养教育,确保每生每天3元钱的营养补助安全卫生的吃到学生嘴里。

一、成立领导小组

为确保学生营养改善计划落实到位,我校成立校长为组长的学生营养改善计划工作领导小组和膳食管理委员会,具体分工如下:

成立学生营养改善计划领导小组

组长张志英和平初中校长

副组长何宝定和平初中总务主任

成员各班班主任

二、确定营养食谱

由食堂承包人制定一份营养餐供给食谱,然后由领导小组和学生代表共同审议通过后进行实施。

营养餐的供给主要以牛奶和鸡蛋为主,但是承包人可以因地制宜的结合当地的实际情况进行食物互换、搭配,增强食谱的实用性。

三、具体操作流程

1、寄宿学生每天早操之后在学校食堂处就餐,非寄宿学生的供给由班主任和食堂管理员协调统一领取发放。

2、学校安排财务人员专管营养餐经费的收支情况。

营养餐经费与住宿生补助作为独立的一块经费,独立经营,独立核算,进行日清月结,期末总结算。

3、学校应采取多种形式,向社会、家长和学生进行大力宣传,向学校管理人员、师生、和供餐从业人员普及营养科学知识,培养学生科学的营养观念和饮食习惯。

使“营养餐工程”家喻户晓,深入人心,为实施好“营养餐工程”营造良好的社会舆论氛围。

4、建立学生健康和营养档案,详细登录学生家庭情况、学习成绩、体质、体能等指标及膳食营养摄入状况等信息,及时反馈学生营养健康状况,为促进青少年健康成长提出科学依据。

陇西县和平初级中学

2012年2月14日

通过上述分析,若将超级电容器与蓄电池结合构成复合电源系统,即能提高电源系统的短时高功率输出能力,也具备持久的动力性能。

通过该组合,可充分发挥超级电容器的高功率密度和蓄电池的高能量密度优势,满足混合动力汽车在爬坡加速、启动过程中的动力需求[4]。

3超级电容-蓄电池复合电源

复合电源系统中超级电容器与蓄电池的并联方式一般可概括为直接并联、通过电感器并联和通过功率变换器并联3种。

3.1直接并联

在此结构中,由于蓄电池组和超级电容器组的端电压被强制相等,因而在设计中对超级电容器的组合方式要求较为严格,应根据蓄电池的电压等级,合理配置超级电容器组的结构参数。

该电路的特点是结构简单、成本低廉,可有效减小蓄电池在脉动负载时输出的最大电流,提高系统功率输出能力。

在同等功率输出条件下,直接并联结构与蓄电池单独供电相比,更具可靠性和经济性。

但直接并联结构存在如下明显的缺点:

①超级电容器组与蓄电池组必须保持端电压一致,而超级电容器与电池的充放电特性相差极大。

由图1可见,超级电容器与蓄电池的充放电特性曲线仅有一小部分重合,从而导致了超级电容器组合方式的受限和容量利用率的降低;②由于混合系统的功率提升能力只取决于超级电容器和蓄电池的自身结构（主要是内阻,故在设计上缺乏灵活性,且当温度降低时,蓄电池的电解液粘度增大,向极板的渗透能力下降,导致内阻增加。

同时,起动时会产生很大的电流,使蓄电池端电压明显下降;③端电压随着充放电过程变化较大,影响了负载工作性能;④脉动负载时蓄电池输出电流纹波较大,并在脉冲结束时达到最大值。

3.2通过电感器并联

该结构建立在直接并联的基础上,在蓄电池和超级电容器间配置一电感器,对蓄电池的输出电流进行滤波,降低电流纹波,以减小内部发热和能量损耗。

该结构对提高系统的功率输出能力、优化蓄电池的放电过程有较好的效果。

但与直接并联结构类似,也存在着系统配置不灵活和端电压不可调等缺点。

不过,由于电感器的滤波作用,蓄电池在负载脉动时的输出电流纹波降低了,进一步提高了蓄电池的放电效率,减小了内部能量损失,延长了放电时间。

3.3通过功率变换器并联结构

蓄电池通过功率变换器（DC/DC与超级电容器并联。

由于功率变换器的变流作用,可以控制蓄电池的放电电流,提高复合电源性能。

根据实际情况,功率变换器可设计为降压或升压式,以对蓄电池组和超级电容器组进行电压匹配。

对于单向功率变换器,能量只从蓄电池流向超级电容器及负载;而对于双向功率变换器,蓄电池既可给超级电容器及负载供电,超级电容器端还可通过功率变换器给蓄电池充电[5]。

在工作过程中,由超级电容器组向脉动负载提供瞬时功率,而蓄电池通过功率变换器以恒流输出方式工作。

对功率变换器的控制目标,是使其输出电流等于脉动负载电流的平均值。

由于功率变换器的存在,使得该结构与前两种结构相比具有较大的优势。

首先,蓄电池组和超级电容器组的端电压可以不同,因而在设计上具有较大的灵活性;其次,由于可以通过功率变换器将蓄电池的输出电流限定到安全可靠的范围,因而能够大大提高系统的功率输出能力;另外,蓄电池基本上以恒流输出方式工作,优化了蓄电池的放电过程。

3.3.1蓄电池接直流母线

通常混合动力汽车复合电源的结构都是采用超级电容器通过DC/DC变换器与蓄电池连接,而蓄电池直接接在直流母线上。

该电路结构是常规的连接方式,最大特点是直流母线电压在充放电过程中变化相对较小。

其代价是,由于超级电容器通过DC/DC变换器与直流母线相接,直流母线上的高倍率充放电电流中大部分由超级电容器承担,所以导致DC/DC变换器容量很大,从而满足超级电容器充放电能力的要求;该电路结构所付出的第2个代价是,需要DC/DC变换器具有超快响应速度。

当负载需要或回馈高倍率放电电流时,若变换器不能快速响应,所有的高倍率电流都要由蓄电池承受,即使变换器能够满足要求,但其内部无论是开关管的开通还是控制芯片误差放大器的响应等都需要时间,因此蓄电池都会承担一定的短时高倍率充放电电流,这样无法最大程度上解决其寿命问题,而且采用快速器件还要增加成本。

3.3.2超级电容接直流母线

由于蓄电池与直流母线相连会出现DC/DC变换器的容量很大以及需要超快速响应的问题,可采用超级电容器接到直流母线,蓄电池通过DC/DC变换器与超级电容器相连的方式进行连接。

该电路结构的优点是:

直流母线上高倍率充放电电流大部分直接流入/流出超级电容器。

DC/DC变换器仅控制远

小于直流母线充放电电流的蓄电池充放电电流。

这

样所需DC/DC变换器的容量大大减小,有利于降低图1超级电容器和蓄电池的充放电特性

成本,提高可靠性。

不仅如此,由于超级电容器可承受短时高倍率充放电电流,可以吸收直流母线上的高倍率充放电电流,同时也有效降低了对DC/DC变换器快速型和性能指标的要求,减小了研究风险。

4双向DC/DC变换器设计与实验仿真

由于超级电容器的电压可能高于或低于蓄电池

电压,DC/DC变换器应该是升/降压型变换器,因此可以采用图2所示的主电路拓扑结构。

图中,VQ1构成降压型变换器的开关部分,VQ3,L,Co构成降压型变换器的低通滤波器部分,电路中L,VQ2,VQ4,Co构成升压型变换器。

4.1

Simulink仿真分析

在Matlab/Simulink仿真软件中,对双向DC/DC

变换器的升压模式和降压模式分别进行仿真测试,

其升降压模式仿真电路如图3所示

。

4.2

具体实验结果分析

为验证该方案的优越性,搭建了一个小型实验

平台。

复合电源参数:

超级电容器4.5F/400V,采用600F/2.7V单体超级电容器144支串联;蓄电池采用17Ah/336V锂离子电池;双向DC/DC变换器容量为10A/400V,控制电流值10A。

相应的测试结果为:

复合电源向直流母线放电电流峰值50A;放电周期3.75s,放电脉冲宽度0.75s,间歇3s;蓄电池持续放电电流10A。

复合电源向直

流母线放电电流、DC/DC变换器蓄电池侧电流和直流母线电压波形如图4所示。

由图4可见,当复合电源在占空比为0.2状态下放电时,可立刻响应直流母线的负载变化,蓄电池

则以复合电源输出峰值电流的1/5持续稳定放电。

直流母线电压在复合电源放电时随放电时间的持续而略有跌落,放电停止期间蓄电池通过DC/DC变换器向超级电容器充电,复合电源输出电压回升。

该循环放电过程中,尽管直流母线电压略有变化,但远小于复合电源电压范围上下极限252~410V,完全可以满足性能要求。

5结束语

系统分析了混合动力汽车用蓄电池的不足以及

应用超级电容器的优势,将高功率密度的超级电容器与高能量密度的电池有机匹配,使之既可输出/吸收高倍率电流的冲击,又可以满足多次高倍率电流所需的高能量密度。

采用双向升降压DC/DC变换器可满足电池在高于或低于超级电容器电压时保证电池的正常充放电。

通过对DC/DC变换器的控制,实现复合电源系统对外充放电过程中,超级电容器与蓄电池的功率按照“最佳”工作状态进行分配。

参考文献

[1]陈永真,宁

武,孟丽囡,等.超级电容器改善汽车启动性

能[J].今日电子,2004,（5:

4-6.

[2]陈永真.电容器及其应用[M].北京:

科学出版社,2005.

[3]

SchupbachRobertoM,BaldaJuanC.TheRoleofUltraca-pacitorsinanEnergyStorageUnitforVehiclePowerMan-agement[A].IEEE58thVehicularTechnologyConference[C].Orlando,FL,USA,2004,3236-3240.

[4]DougalRA,LiuSheng-yi,WhiteRE.PowerandLifeExten-sionofBattery-UltracapacitorHybrids[J].IEEETrans.onCom-ponentsandPackagingTechnologies,2002,25（1:

120-131.[5]CaricchiF,CrescimbiniF,GiuliiCapponiF,etal.Studyof

BidirectionalBuck-BoostConverterTopologiesforApplica-tioninElectricalVehicleMotorDrivers[A].IEEEAPECPro-ceeding[C].1998:

287-293.

图4

实验波形

图2

双向可升降压变换器