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、充電時間長、使用壽命短等缺點[1]-[3]。近年，超級電容器作為一種具有良好功率特性的新型儲能裝置受到了廣泛的關注和研究。與常用的蓄電池相比，超級電容器具有功率密度高、充放電速度快、效率高、循環壽命長等優點，但其能量密度低，一般不能單獨作為供電裝置來使用[4]。有相關研究將二者結合組成復合儲能系統，這種復合電源性能的發揮，需要依靠合理可靠的控制裝置和能量管理方法。但這些儲能裝置都沒有能量獲取功能，不能為電源系統補充能量。在一些應用場合，如移動機器人、智能傳感器節點等，要求電源有最大限度的持續工作能力。太陽能是環境中普遍可以被利用的一種能量，太陽能光電轉換及其控制技術已經比較成熟，基于太陽能能量獲取的方式對很多應用具有實際意義。

本文綜合考慮太陽能光伏電池、蓄電池和超級電容器構成一種復合電源[5]，研究了該復電源系統的開放式動態體系結構、系統組成和設計方法，并將其應用于移動機器人電源，取得了良好效果。

2 復合電源系統的體系結構
由光伏電池、蓄電池和超級電容器組成的復合電源系統可能有多種結構形式，最簡單的結構就是將三者直接并聯，但這樣太陽能不能被充分利用，蓄電池和超級電容器的特性也不能充分發揮。圖1 給出了本文采用的復合電源系統組成原理。在有光照的條件下，以太陽能為機器人能量的在線補充來源，蓄電池和超級電容器作為復合儲能裝置，可將多余的能量儲存起來以備光照不足時使用。太陽能電池板是一種受光照強度和環境溫度影的非線性直流電源，并且其輸出功率還隨外接負載的變化而變化，在相同光照強度和環境溫度的情況下，其輸功率的最大值只有在滿足特定負載條件時才會出現。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) 控制器接入系統的直流母線。將蓄電池和超級電容器分別通過一個DC/DC 變換器接入直流母線，可實現對蓄電池和超級電容器輸出功率的主動控制，實現能量的管理。蓄電池是主儲能裝置，為了減少電能通過DC/DC 變換器時的功率損失，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 中給出的是一個完整的復合電源系統的組成結構，在不同的應用中可根據實際需要進行選擇和裁剪。圖中的負載不僅包括只消耗功率的傳統意義的負載，還代表可回饋功率的負載，如工作于再生制動狀態的電機。另外，負載的功率通常是動態變化的，太陽能電池板的輸出功率也是變化的，蓄電池和超級電容器有可能工作于放電狀態或充電狀態。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載的靜態模型已不能描述復合電源的動態特性，考慮能量的雙向流動，忽略具體的物理實現，可抽象出圖1 中復合電源的動態體系結構模型，如圖2 所示。

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

3 復合電源系統的設計與控制方法
3.1 復合電源的硬件電路設計
結合該復合電源在移動機器人上的應用，設計了復合電源的硬件電路。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/ 降壓電路實現，如圖3 所示。電路中，VH 端接直流母線，VL 端接超級電容器。當MOS 管T2 關斷，T1 工作于開關狀態，電路實現升壓功能，可使超級電容器放電；當MOS 管T1 關斷，T2 工作于開關狀態，電路實現降壓功能，可使超級電容器充電。T1 和T2 采用PWM 信號驅動。由于圖1 中的太陽能電池板只能輸出功率，且機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電路結構（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 變換器的驅動電路采用專用的半橋驅動芯片IR2110，其可分別輸出半橋電路高端和低端的兩路驅動信號，結構緊湊，外電路設計簡單。當驅動低端MOS 管T2 時，只需一路PWM 信號輸入IR2110 即可。當驅動高端MOS 管T1 時，需要控制器輸出一對互補對稱的PWM 信號給IR2110的輸入端，這是因為對高端橋臂的驅動是通過自舉方式實現的，低端MOS 管的互補導通才能實現對自舉電容的充電。

復合電源控制電路的CPU 采用意法半導體公司(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 內核，具有功耗低、成本低、集成度高、外設豐富等優點，其集成了多路片上AD，具有多種通訊接口，且通過其內部時鐘定時器可實現多路的PWM 信號輸出，方便實現開關電路的控制。本文基于STM32 芯片設計的復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 信號輸出驅動開關管，預留的CAN 總線接口方便與機器人的運動控制器通訊。

3.2 復合電源的控制方法
復合電源系統能量的管理與分配，是通過對以上兩個DC/DC 變換器的控制實現的。控制方法設計時，考慮負載優先利用光伏電池的輸出功率，不足的部分由復合儲能裝置補充。只要蓄電池仍有一定的容量空間，對光伏電池的控制則采用MPPT 方式，否則就關閉光伏電池的輸出，即本文對光伏電池的控制和其他部分的控制是完全解耦的。MPPT 控制有很多種實現方法[6]，本文采用與文獻[7] 中類似的擾動觀察法，具體實現過程不再詳述。

在圖2 的復合電源動態體系結構中，相對蓄電池- 超級電容器復合儲能系統而言，可將光伏電池輸出功率的變化等效為驅動負載功率的變化，即將光伏系統和機器人的驅動負載視為復合儲能系統的等效負載，可使復合電源控制方法的分析得到簡化。可見，本文所提出圖2 中的復合電源體系結構是一個可裁剪、可重組的動態體系結構，對復合電源控制方法的分析起著重要作用。由圖2 中的功率關系可知

式中：為復合儲能系統的等效負載功率。根據以上的分析，對與超級電容器相連的雙向DC/DC 變換器，采用如下基于邏輯門限的控制方法。

（1）等效負載功率即復合儲能系統放電。此種情況下的功率分配規則為：如果否則，當超級電容器電量充足時有若此時超級電容器已欠電，則只能由電池單獨提供功率，這是一種非正常工作狀態，說明電源系統已不能提供足夠的功率。
（2）等效負載功率即復合儲能系統充電。此種情況下的功率分配規則為：只要超級電容器的電量達到最高限值

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電容器的功率。基于該規則實現的軟件程序流程如圖5 所示。在程序設計時，為避免系統在邏輯門限值切換時出現振蕩，在各邏輯門限值附近均設置了一定的滯環寬度。

表1 給出了復合電源系統需要檢測或計算的參數，這些參數是對雙向DC/DC 變換器進行控制的依據。

從以上分析的功率關系除以當時的母線電壓，即可得到超級電容器需要輸出電流的給定值IUC_ref，采用電流閉環的PI調節器控制DC/DC 變換器的輸出電流IUC 及時跟蹤IUC_ref，即可實現等效負載電流在蓄電池和超級電容器間的分配。

3.3 模型仿真
在Matlab 環境下建立了移動機器人復合電源系統的仿真模型。復合電源中的光伏電池及MPPT 控制系統采用一個受控直流電流源來模擬，蓄電池采用Simpowersystems 中的battery 模型，超級電容器采用RC 串聯模型。負載為電機，用一個直流電機模型模擬。模型的主要參數如下：蓄電池采用額定電壓為14.4V 的Li-ion 電池模型，容量為1.5Ah；超級電容器容量為15F。為了進行對比研究，對單一蓄電池模型也進行了仿真。設計了一個時間為25s 的機器人工作循環，仿真過程模擬了機器人負載電流的動態變化，在該工作循環下分別對單一蓄電池電源和復合電源模型進行了仿真，圖7 給出了仿真結果對比。

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，Ubat 和Ibat 的波動很頻繁，Ubat 最大波動幅度可達2.5V，充電和放電峰值電流高達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，這對蓄電池有很大的損害，且電源電壓的過大波動容易造成機器人工作不穩定；而采用復合電源時，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。由超級電容器電流曲線IUC 可以看出，復合電源中，超級電容器對負載的峰值電流進行了及時的補充或吸收，從而避免了蓄電池受到過大充放電電流的沖擊，且負載回饋的電流基本全部被超級電容器吸收。復合電源中蓄電池得到了有效的保護，仿真結果說明了移動機器人采用復合電源的優越性。

4 復合電源在移動機器人上的應用實驗
將本文復合電源應用于移動機器人設計了實驗樣機，見圖8。復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。超級電容器采用6 個額定電壓2.7V、容量120F 的單體電容串聯構成。所用光伏電池的最大輸出功率為5W。復合電源的控制算法通過STM32 的軟件實現。

針對相同的工作循環過程，對采用單一蓄電池電源和復合電源的機器人分別進行了實驗。該循環過程包括：機器人啟動、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驗結果。由圖可知，若采用單一蓄電池，相對于空載時的電壓跌落最大值可達1.5V，且隨機器人工作狀態的改變波動明顯；若采用復合電源，蓄電池端電壓被保持在一定范圍內，受機器人工作狀態變化的影響很小，最大跌落電壓0.5V 左右。而蓄電池端電壓的波動和跌落是由其電流變化引起的，圖9 的結果說明超級電容器對過大的負載電流提供了有效補充，減輕了對蓄電池的損害。實驗結果與模型仿真的結果一致。

5 結論
本文研究了光伏電池- 蓄電池- 超級電容器復合電源系統體系結構和設計方法。利用復合電源的動態體系結構模型的開放性和可重組性，在復合電源控制方法的設計過程中采用了相互等效的思想，使設計得到了解耦和簡化。在此基礎上針對該復合電源在移動機器人上的應用進行了系統設計和模型仿真，并設計了移動機器人復合電源系統實驗樣機。實驗結果與仿真結果一致，說明了本文復合電源設計方法的可行性，也驗證了移動機器人采用復合電源的優越性。在保證機器人動力性能的基礎上，超級電容器對蓄電池電流起到了良好的補充和平滑作用，可延長蓄電池的使用壽命，并可利用周圍環境的太陽能為機器人在線獲得能量補充，提高機器人的持續工作能力。