1 引言
可充電蓄電池是一種最成熟、最常用的簡單電源裝置，常用的蓄電池類型有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，但他們普遍具有體積重量大、功率密度低、充電時(shí)間長、使用壽命短等缺點(diǎn)[1]-[3]。近年，超級(jí)電容器作為一種具有良好功率特性的新型儲(chǔ)能裝置受到了廣泛的關(guān)注和研究。與常用的蓄電池相比，超級(jí)電容器具有功率密度高、充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度低，一般不能單獨(dú)作為供電裝置來使用[4]。有相關(guān)研究將二者結(jié)合組成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，這種復(fù)合電源性能的發(fā)揮，需要依靠合理可靠的控制裝置和能量管理方法。但這些儲(chǔ)能裝置都沒有能量獲取功能，不能為電源系統(tǒng)補(bǔ)充能量。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，如移動(dòng)機(jī)器人、智能傳感器節(jié)點(diǎn)等，要求電源有最大限度的持續(xù)工作能力。太陽能是環(huán)境中普遍可以被利用的一種能量，太陽能光電轉(zhuǎn)換及其控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，基于太陽能能量獲取的方式對(duì)很多應(yīng)用具有實(shí)際意義。

本文綜合考慮太陽能光伏電池、蓄電池和超級(jí)電容器構(gòu)成一種復(fù)合電源[5]，研究了該復(fù)電源系統(tǒng)的開放式動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人電源，取得了良好效果。

2 復(fù)合電源系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
由光伏電池、蓄電池和超級(jí)電容器組成的復(fù)合電源系統(tǒng)可能有多種結(jié)構(gòu)形式，最簡單的結(jié)構(gòu)就是將三者直接并聯(lián)，但這樣太陽能不能被充分利用，蓄電池和超級(jí)電容器的特性也不能充分發(fā)揮。圖1 給出了本文采用的復(fù)合電源系統(tǒng)組成原理。在有光照的條件下，以太陽能為機(jī)器人能量的在線補(bǔ)充來源，蓄電池和超級(jí)電容器作為復(fù)合儲(chǔ)能裝置，可將多余的能量儲(chǔ)存起來以備光照不足時(shí)使用。太陽能電池板是一種受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影的非線性直流電源，并且其輸出功率還隨外接負(fù)載的變化而變化，在相同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的情況下，其輸功率的最大值只有在滿足特定負(fù)載條件時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。為了最大限度地利用太陽能，將太陽能電池板通過最大功率跟蹤(MPPT) 控制器接入系統(tǒng)的直流母線。將蓄電池和超級(jí)電容器分別通過一個(gè)DC/DC 變換器接入直流母線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器輸出功率的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)能量的管理。蓄電池是主儲(chǔ)能裝置，為了減少電能通過DC/DC 變換器時(shí)的功率損失，可不采用蓄電池和直流母線間的DC/DC 變換器，將蓄電池直接與直流母線相連。

圖1 中給出的是一個(gè)完整的復(fù)合電源系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，在不同的應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇和裁剪。圖中的負(fù)載不僅包括只消耗功率的傳統(tǒng)意義的負(fù)載，還代表可回饋功率的負(fù)載，如工作于再生制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)。另外，負(fù)載的功率通常是動(dòng)態(tài)變化的，太陽能電池板的輸出功率也是變化的，蓄電池和超級(jí)電容器有可能工作于放電狀態(tài)或充電狀態(tài)。因此，圖中的變換器一般采用雙向DC/DC 變換器。

采用一般的電源與負(fù)載的靜態(tài)模型已不能描述復(fù)合電源的動(dòng)態(tài)特性，考慮能量的雙向流動(dòng)，忽略具體的物理實(shí)現(xiàn)，可抽象出圖1 中復(fù)合電源的動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示。

圖中的蓄電池和超級(jí)電容器組成復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)只能單向輸出功率，蓄電池、超級(jí)電容器和負(fù)載都支持功率的雙向流動(dòng)。PPV、Pbat、PUC 和Pload 分別表示光伏系統(tǒng)、蓄電池、超級(jí)電容器和負(fù)載當(dāng)前時(shí)刻的輸出或輸入功率，圖中的小箭頭指向分別規(guī)定了各功率的正方向。某一時(shí)刻各功率的方向和大小由電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)決定。

3 復(fù)合電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制方法
3.1 復(fù)合電源的硬件電路設(shè)計(jì)
結(jié)合該復(fù)合電源在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了復(fù)合電源的硬件電路。蓄電池直接與直流母線相連，圖1 中與超級(jí)電容器相連的DC/DC 變換器主電路采用Boost/Buck 型雙向升壓/ 降壓電路實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。電路中，VH 端接直流母線，VL 端接超級(jí)電容器。當(dāng)MOS 管T2 關(guān)斷，T1 工作于開關(guān)狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)升壓功能，可使超級(jí)電容器放電；當(dāng)MOS 管T1 關(guān)斷，T2 工作于開關(guān)狀態(tài)，電路實(shí)現(xiàn)降壓功能，可使超級(jí)電容器充電。T1 和T2 采用PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)。由于圖1 中的太陽能電池板只能輸出功率，且機(jī)器人所能安裝的太陽能電池板的輸出電壓不可能太高，因此，MPPT 變換器的主電路只采用單向Boost電路結(jié)構(gòu)（圖3 中電路除去T2 和D2 以外的部分），將電壓升高后再接直流母線。

圖3 中雙向DC/DC 變換器的驅(qū)動(dòng)電路采用專用的半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，其可分別輸出半橋電路高端和低端的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，結(jié)構(gòu)緊湊，外電路設(shè)計(jì)簡單。當(dāng)驅(qū)動(dòng)低端MOS 管T2 時(shí)，只需一路PWM 信號(hào)輸入IR2110 即可。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高端MOS 管T1 時(shí)，需要控制器輸出一對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱的PWM 信號(hào)給IR2110的輸入端，這是因?yàn)閷?duì)高端橋臂的驅(qū)動(dòng)是通過自舉方式實(shí)現(xiàn)的，低端MOS 管的互補(bǔ)導(dǎo)通才能實(shí)現(xiàn)對(duì)自舉電容的充電。

復(fù)合電源控制電路的CPU 采用意法半導(dǎo)體公司(ST) 的32 位微控制器STM32 芯片，其使用ARM 公司具有突破性的cortex-M3 內(nèi)核，具有功耗低、成本低、集成度高、外設(shè)豐富等優(yōu)點(diǎn)，其集成了多路片上AD，具有多種通訊接口，且通過其內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)多路的PWM 信號(hào)輸出，方便實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路的控制。本文基于STM32 芯片設(shè)計(jì)的復(fù)合電源控制器的原理如圖4 所示。片上AD 采集電源的電壓和電流信息，多路PWM 信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，預(yù)留的CAN 總線接口方便與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器通訊。

3.2 復(fù)合電源的控制方法
復(fù)合電源系統(tǒng)能量的管理與分配，是通過對(duì)以上兩個(gè)DC/DC 變換器的控制實(shí)現(xiàn)的?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)時(shí)，考慮負(fù)載優(yōu)先利用光伏電池的輸出功率，不足的部分由復(fù)合儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充。只要蓄電池仍有一定的容量空間，對(duì)光伏電池的控制則采用MPPT 方式，否則就關(guān)閉光伏電池的輸出，即本文對(duì)光伏電池的控制和其他部分的控制是完全解耦的。MPPT 控制有很多種實(shí)現(xiàn)方法[6]，本文采用與文獻(xiàn)[7] 中類似的擾動(dòng)觀察法，具體實(shí)現(xiàn)過程不再詳述。

在圖2 的復(fù)合電源動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)中，相對(duì)蓄電池- 超級(jí)電容器復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，可將光伏電池輸出功率的變化等效為驅(qū)動(dòng)負(fù)載功率的變化，即將光伏系統(tǒng)和機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)負(fù)載視為復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效負(fù)載，可使復(fù)合電源控制方法的分析得到簡化?？梢姡疚乃岢鰣D2 中的復(fù)合電源體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)可裁剪、可重組的動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)合電源控制方法的分析起著重要作用。由圖2 中的功率關(guān)系可知

式中：為復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效負(fù)載功率。根據(jù)以上的分析，對(duì)與超級(jí)電容器相連的雙向DC/DC 變換器，采用如下基于邏輯門限的控制方法。

（1）等效負(fù)載功率即復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電。此種情況下的功率分配規(guī)則為：如果否則，當(dāng)超級(jí)電容器電量充足時(shí)有若此時(shí)超級(jí)電容器已欠電，則只能由電池單獨(dú)提供功率，這是一種非正常工作狀態(tài)，說明電源系統(tǒng)已不能提供足夠的功率。
（2）等效負(fù)載功率即復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。此種情況下的功率分配規(guī)則為：只要超級(jí)電容器的電量達(dá)到最高限值

以上各式中，表示蓄電池最大允許放電功率，和PUC 分別表示分配給蓄電池和超級(jí)電容器的功率?；谠撘?guī)則實(shí)現(xiàn)的軟件程序流程如圖5 所示。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，為避免系統(tǒng)在邏輯門限值切換時(shí)出現(xiàn)振蕩，在各邏輯門限值附近均設(shè)置了一定的滯環(huán)寬度。

表1 給出了復(fù)合電源系統(tǒng)需要檢測(cè)或計(jì)算的參數(shù)，這些參數(shù)是對(duì)雙向DC/DC 變換器進(jìn)行控制的依據(jù)。

從以上分析的功率關(guān)系除以當(dāng)時(shí)的母線電壓，即可得到超級(jí)電容器需要輸出電流的給定值IUC_ref，采用電流閉環(huán)的PI調(diào)節(jié)器控制DC/DC 變換器的輸出電流IUC 及時(shí)跟蹤IUC_ref，即可實(shí)現(xiàn)等效負(fù)載電流在蓄電池和超級(jí)電容器間的分配。

3.3 模型仿真
在Matlab 環(huán)境下建立了移動(dòng)機(jī)器人復(fù)合電源系統(tǒng)的仿真模型。復(fù)合電源中的光伏電池及MPPT 控制系統(tǒng)采用一個(gè)受控直流電流源來模擬，蓄電池采用Simpowersystems 中的battery 模型，超級(jí)電容器采用RC 串聯(lián)模型。負(fù)載為電機(jī)，用一個(gè)直流電機(jī)模型模擬。模型的主要參數(shù)如下：蓄電池采用額定電壓為14.4V 的Li-ion 電池模型，容量為1.5Ah；超級(jí)電容器容量為15F。為了進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)單一蓄電池模型也進(jìn)行了仿真。設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)間為25s 的機(jī)器人工作循環(huán)，仿真過程模擬了機(jī)器人負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)變化，在該工作循環(huán)下分別對(duì)單一蓄電池電源和復(fù)合電源模型進(jìn)行了仿真，圖7 給出了仿真結(jié)果對(duì)比。

圖7 中的蓄電池端電壓(Ubat) 和充放電電流(Ibat) 曲線顯示出：采用單一蓄電池電源時(shí)，Ubat 和Ibat 的波動(dòng)很頻繁，Ubat 最大波動(dòng)幅度可達(dá)2.5V，充電和放電峰值電流高達(dá)5A 和7A。蓄電池端電壓的急劇上升和跌落，是由過大的充電和放電峰值電流造成的，這對(duì)蓄電池有很大的損害，且電源電壓的過大波動(dòng)容易造成機(jī)器人工作不穩(wěn)定；而采用復(fù)合電源時(shí)，Ubat和Ibat 都得到了有效地平滑，蓄電池的充電和放電電流都被限制在了2A 以內(nèi)。由超級(jí)電容器電流曲線IUC 可以看出，復(fù)合電源中，超級(jí)電容器對(duì)負(fù)載的峰值電流進(jìn)行了及時(shí)的補(bǔ)充或吸收，從而避免了蓄電池受到過大充放電電流的沖擊，且負(fù)載回饋的電流基本全部被超級(jí)電容器吸收。復(fù)合電源中蓄電池得到了有效的保護(hù)，仿真結(jié)果說明了移動(dòng)機(jī)器人采用復(fù)合電源的優(yōu)越性。

4 復(fù)合電源在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
將本文復(fù)合電源應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，見圖8。復(fù)合電源中的蓄電池選用額定電壓14.4V 的Li-ion 電池，容量為1.5Ah。超級(jí)電容器采用6 個(gè)額定電壓2.7V、容量120F 的單體電容串聯(lián)構(gòu)成。所用光伏電池的最大輸出功率為5W。復(fù)合電源的控制算法通過STM32 的軟件實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)相同的工作循環(huán)過程，對(duì)采用單一蓄電池電源和復(fù)合電源的機(jī)器人分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該循環(huán)過程包括：機(jī)器人啟動(dòng)、加速、減速等工作過程，圖9 為兩種條件下蓄電池端電壓變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，若采用單一蓄電池，相對(duì)于空載時(shí)的電壓跌落最大值可達(dá)1.5V，且隨機(jī)器人工作狀態(tài)的改變波動(dòng)明顯；若采用復(fù)合電源，蓄電池端電壓被保持在一定范圍內(nèi)，受機(jī)器人工作狀態(tài)變化的影響很小，最大跌落電壓0.5V 左右。而蓄電池端電壓的波動(dòng)和跌落是由其電流變化引起的，圖9 的結(jié)果說明超級(jí)電容器對(duì)過大的負(fù)載電流提供了有效補(bǔ)充，減輕了對(duì)蓄電池的損害。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型仿真的結(jié)果一致。

5 結(jié)論
本文研究了光伏電池- 蓄電池- 超級(jí)電容器復(fù)合電源系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。利用復(fù)合電源的動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)模型的開放性和可重組性，在復(fù)合電源控制方法的設(shè)計(jì)過程中采用了相互等效的思想，使設(shè)計(jì)得到了解耦和簡化。在此基礎(chǔ)上針對(duì)該復(fù)合電源在移動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模型仿真，并設(shè)計(jì)了移動(dòng)機(jī)器人復(fù)合電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，說明了本文復(fù)合電源設(shè)計(jì)方法的可行性，也驗(yàn)證了移動(dòng)機(jī)器人采用復(fù)合電源的優(yōu)越性。在保證機(jī)器人動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上，超級(jí)電容器對(duì)蓄電池電流起到了良好的補(bǔ)充和平滑作用，可延長蓄電池的使用壽命，并可利用周圍環(huán)境的太陽能為機(jī)器人在線獲得能量補(bǔ)充，提高機(jī)器人的持續(xù)工作能力。