混合电源系统的特性分析与转换效率研究

海洋电浮标在海洋监测方面发挥着极其重要的作用，由于需要长期在海上对水质和周围环境进行检测和信息的搜集，所以对于电浮标的电源系统要求较高。目前，我们国家的海洋电浮标一般采用的是铅酸蓄电池作为储能设备，利用太阳电池板进行发电，但是太阳能的发电效率目前还比较低，一般也就10%～20%，所以提高能量转换效率显得尤为重要[1]。本文采用了超级电容作为电浮标的辅助储能设备，并且在锂电池和超级电容之间连接一个双向DC/DC转换器，解决太阳能板弱光条件下无法向电池充电的问题，而且还能减小充放电电流的峰值对电池造成的影响[2]。

目前，大多数的海洋电浮标电源采用的是单电池系统和直联混合系统[3]。其中单电池系统主要通过双向DC/DC转换器连接到直流电路，这种电源系统在充电过程中会产生过充过放问题，对电池造成损伤，也会影响长期的充放电效率。直联混合系统虽然可以对电源的充放电过程进行优化和有效地管理，但是根据实际应用的需要，方便电浮标搭载更多功率器件，功能进一步地完善，本文设计了新的电源系统，该电源系统采用锂电池与超级电容的并联耦合的拓扑结构，这种结构的设计基于国内外对两个半桥双向变换器的研究，主要是增大电路的输出功率，减少对电池的损伤，电池的寿命和充放电效率也得到提高。

基于这种拓扑结构，本文进一步对结构中的双向DC/DC转换器进行损耗分析，进行效率实验，研究转换器效率最高时的输出电流值，进一步提高电池充放电过程的效率[4]。

1 并联式混合结构分析与建模

图1 并联式混合结构

该并联式混合结构如图1所示，主要包括超级电容模组、电池模组和双向DC/DC转换器，在这种结构中采用了两个半桥双向变换器分别连接电池和超级电容，每个开关都配有一个二极管，用于避免电池和超级电容之间的短路[5]。在工作模式下，该结构可以实现低功率或者高功率两种工作模式，这样在功率需求较大的情况下，该电源系统可以输出相对较大的输出功率[6]。而且在充放电时，通过双向DC/DC转换器的管理，锂电池作为主要的储能设备，超级电容作为辅助储能设备，通过锂电池与超级电容的并联来减少充放电的峰值电流值，避免造成过充过放，增加锂电池使用寿命和长期的充放电效率[7]。

为此，本文基于图1并联式混合结构，分别对超级电容模组和电池模组进行建模和基于Simulink仿真原理的阐述。以达到减小充放电过程中的峰值电流的目的，避免造成过充过放，增加锂电池的寿命和长期的充放电效率[8]。此外，基于这种并联式混合结构，本文对结构中的双向DC/DC转换器进行分析，并且搭建实验，研究转换器的转换效率[9]。

1.1 超级电容和锂电池

1.1.1 超级电容

超级电容是并联式混合结构的一个单元，主要参数如表1所示。

表1 超级电容主要参数

电容组件由上述的电容元件通过串联Nsc和Msc并联连接组成的电容模组，其特性为：

式中：Csc为电容模组容量；CM为电容元件容量；Rsc,ch为电容模组充电电阻；Rsc.disch为电容模组放电电阻；Rsc-M,ch为电容元件充电电阻；Rsc-M,disch为电容元件放电电阻；Nsc为电容组中串联电容元件数量；Msc为电容模组中并联电容元件数量；Vsc-M为电容元件开路电压；Vsc为电容模组开路电压。

电容模组的充电状态为：

式中：Vsc,max为电容模组的最大电压。

1.1.2 锂电池

锂电池具有高电压，高比能量，循环寿命长等特点，主要参数如表2所示。

电池模组由电池单元通过Nbat串联和Mbat并联连接组成，其特性为：

表2 电池参数

式中：Cbat为电池模组容量；Cbat-cell为电池元件容量；Rbat.ch为电池模组充电电阻；Rbat.disch为电池模组放电电阻；Rbat-cell,ch为电池元件充电电阻；Rbat-cell,disch为电池元件放电电阻；Nbat为电池模组中串联的电容元件的数量；Mbat为电池模组并联的电容元件数量；Vbat-cell为电池元件开路电压；Vbat为电池模组开路电压。

1.2 基于Simulink并联式混合结构的仿真分析

在建立了超级电容和锂电池模型的情况下，本文基于Simulink平台对并联式混合结构进行仿真原理的阐述，具体的电流仿真方块如图2所示。

图2 电流仿真方块图

图2中：ILref是输入参考电流；ki是电流传感器的增益；Vbat是电池模组电压；U2是转换器输出电压；Kp和Ti是PI电流控制器参数；KD是转换器增益；Td是转换器平均延时；L是电感；R是电阻；Vsc是超级电容模组电压。

根据图2可得到传递函数：

把式(11)和式(12)代入式(10)，得到：

假设 Tds＜＜1，则有：

1.3 电源系统的工作分析

基于上述对并联式混合结构的分析，本文再对混合电源系统的工作情况进行分析，主要包括工作原理分析、损耗计算和效率计算，得到效率最高时的电流值，提高转换效率[10]。

1.3.1 工作原理

混合电源系统主要通过双向DC/DC转换器来实现储能功能，原理如图3所示。双向降压-升压转换器由以下组成：两个 Mos，为 Q1，Q2；两个二极管 D1，D2；两个电容器 C1，C2；一个电感L。在这个电路的分析中，只有Mos被用作开关器件。为了实现两个方向的能量流动，该转换器可以在降压和升压两种模式下工作，并且本文假定转换器都是工作在连续导通的情况。

图3 双向DC/DC转换器原理图

(1)降压模型

基于图4可得到输入电压U1和输出电压U2之间的关系如式(15)所示。

式中：KD1表示占空比。电感电流iL从左向右流动，当0＜t＜KD1Ts时，Q1导通，Q2截止，iL增大；当 KD1Ts＜t＜Ts时，Q1截止，Q2导通，iL减小。在降压模式下，来自电源U1的能量转移到U2侧的负载，整个过程如图4所示。

图4 降压模式下的电流流向

(2)升压模型

基于图5可得到输入电压U1和输出电压U2之间的关系如式(16)所示。

式中：KD2表示占空比。

电感电流 iL从右向左流动，当 0＜t＜KD2Ts时，Q1截止，Q2导通，iL增大；当 KD2Ts＜t＜Ts时，Q1导通，Q2截止，iL减小。在降压模式下，存储在传感器中的能量与直流电源U2一起供给U1的负载，整个过程的电流路径如图5所示。

图5 升模式下的电流流向

1.3.2 损耗计算

为了提高结构的效率，当转换器在稳定状态时，对转换器中的每个元件的损耗进行详细分析，一般来说，开关损耗和传导损耗是主要损耗[11]。由于分析升压模式效率模型的过程类似于降压模式，所以，本文对降压模式的效率模型不再进行详细的分析。

(1)开关损耗

当Mos用作转换器中的开关器件，导通时，开关的电压逐渐下降，电流上升到负载电流；导通交叉时，开关电压和电流同时存在，产生损耗[12]。与此类似，在关闭期间，开关的损耗也会产生，它们被合并到转换器的总开关的损耗中，如式(17)所示。

式中：Esw(on)表示开关导通时的损耗；Esw(off)表示开关闭合时的损耗；fs表示转换频率。

(2)传导损耗

为建立效率模型，我们必须对转换器中的每个组件进行建模。Mos中理想开关和导通电阻用Ron1(Ron2)表示，二极管用理想开关表示，正向降压用UD1(UD2)、导通电阻用RD1(RD2)表示；理想电容器用C1(C2)、等效串联电阻用RC1(RC2)表示；电感由理想电感用L、电阻用RL表示。

导通电阻 Ron1损耗：Q1导通时，Q1的电流为 iQ1=iL，Q1截止时，Q1电流为iQ1=0，在一个开关周期内，电感L的电流如式(18)所示。

根据式(18)和式(19)可计算出Ron1损耗如式(20)所示。

导通电阻RD2损耗：当Q1截止时，流经D2的电流为iD2=0，当Q1导通时，流经D2的电流为iD2=iL，在一个开关周期的电流如式(21)所示。

根据式(19)和式(21)可知导通电阻RD2的损耗如式(22)所示。

1.3.3 效率模型建立

通过上述对损耗的分析计算，在降压模式下双向DC/DC转换器效率如式(23)所示。

从式(23)可见，假设输出电压保持恒定，效率与电感电流的关系可以通过式(27)来研究。

式中：输出电流I0代表降压模型中的IL，方程的一阶导数如式(28)所示。

式中：A1和A3都是正值，当一阶导数设置为0时，可以得到输出电流的拐点，如果，输出的电流I0低于拐点处的电流时，则当输出电流增加时，效率增大；当输出电流I0高于拐点处的电流时，则当输出电流I0增加时，效率减小。

类似于降压模式下效率模型的开发过程，升压模式下的效率模型可归纳如式(29)所示。

2 电流仿真和效率实验

在对并联式混合结构的模型建立与仿真原理阐述的基础上，本文分别对单一电池结构和并联式混合结构进行电流的仿真，从而验证并联式混合结构的有效性和优势。而且，在对其中的双向DC/DC转换器的相关分析和建立效率模型的基础上，对其降压和升压模式搭建实验平台[13]，进一步得出并联式混合结构的效率最大时的电流值。

2.1 并联式混合结构仿真结果

由式(14)可知，控制器的当前状态取决于参数α，利用Simulink进行仿真，单电池结构仿真结果如图6所示，并联混合式结构的仿真结果如图7所示。

通过图6和图7，超级电容在并联式混合结构储能电路中可有效地减少电路充放电电流的峰值，解决锂电池过充过放问题，提高锂电池寿命和充放电效率[14]。

2.2 双向DC/DC转换器效率特性实验

双向DC/DC转换器的降压和升压模型的效率特性实验的实物连接如图8所示，各部件的参数设置如表3所示，通过功率计测量转换器的输入和输出功率及对应的输出电流值，分别得到输入和输出电流值，输入和输出电压值及输入和输出功率如表4所示，绘制输入电流和效率的关系曲线，如图9和图10所示。

图6 单电池结构电流仿真

图7 并联式混合结构电流仿真

图8 实物连接图

表3 实验参数

表4 实验数据

如图9和图10曲线可见，降压和升压两种模式的效率有着类似趋势，即效率先增加后减小，拐点处的输出电流I0在降压模式下为0.8 A，在升压模式下为1 A，此时的双向DC/DC转化器的转换效率最高，此时最为合适。

3 结论

在基于项目应用的基础上，设计并联式混合结构，建立双向DC/DC转换器的效率模型，解决锂电池充放电过程中转换效率低的问题。通过并联式拓扑结构解决了混合锂电池充电的过充过放问题，减少电流对锂电池的损坏，提高了充放电效率。基于这种结构，分析影响双向DC/DC转换器效率的因素，建立效率模型，通过仿真结果可以找到转换效率最高时的电流值，这样可以对在不同环境工作的双向DC/DC转换器的效率进行预测并加以提高。

图9 降压模式效率特性

图10 升压模式效率特性

尤其是对于长期在海上工作的电浮标，由于其工作的周期长，不方便维护，所以提高电浮标的充电效率和电源的使用寿命对于海洋资源的进一步开发和利用有着重要的作用。基于上述的效率模型及仿真，人们可以通过这一结果应用于实际的电源系统中，进一步提高能源的利用效率。