超級電容器改善電源動態(tài)特性

1、超級電容器改善電源動態(tài)特性潘艷 寧武 陳永真遼寧工業(yè)大學 121001摘要：本文分析了現(xiàn)有電源存在的問題，提出了一種基于超級電容器的解決方案。介紹了bestcap®超級電容器的特性，通過實驗比較了僅采用電池和電池與超級電容器組合后的電壓電流波形，得出超級電容器與電池并聯(lián)可以明顯改善電源動態(tài)特性，提高電源的供電質(zhì)量。關鍵詞：超級電容器；電源；動態(tài)特性；供電質(zhì)量Ultra Capacitor Improve Active Characteristic of Power Supply PanYan Ning Wu Chen YongzhenLiaoning University of Te

2、chnology 121001Abstract: Problems in existing power supply are analyzed in the paper. A better solution based ultra capacitor is put forward. The characteristics of bestcap® ultra capacitor are introduced. Voltage and current waves of battery that is only used and those waves of combined ultra

3、capacitors are given, indicated that active characteristic of power supply can be improved obviously by paralleling ultra capacitors and batteries, quality of power supply is heightened.Keywords: Ultra Capacitor；Power Supply；Active Characteristic；Quality of Power Supply1.前言電源可以分為電子電源（主要指電源電路）和電化學電源（

4、主要指電池），它們的供電能力都由設計電路限制。當要求電源提供短時高功率脈沖時，首先電子電源不能滿足，而電化學電源也許能滿足，但是即使?jié)M足其供電質(zhì)量也會下降。那么，電源在不影響其供電質(zhì)量的情況下能不能提供短時高功率脈沖呢？問題的解決方案可以是加大電源的輸出功率，使其達到要求，但是這將導致電源體積變大，使電源變得笨重、成本提高，實現(xiàn)起來比較困難，可見這并不是好的解決方案。本文將通過以下論證，提出一種更好的解決方案。2.電源存在的問題由于電子電源本身不能作為提供短時高功率脈沖的電源，而電化學電源有可能提供短時高功率脈沖，故本文中的電源主要指的是電化學電源。電源動態(tài)特性的好壞主要有由電源內(nèi)的等效串聯(lián)電

5、阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）的大小及電化學響應過程的快慢決定。即ESR和ESL值越大、電化學響應過程越慢，頻率響應越差，電源的動態(tài)特性越不好。反之越好。在這三個因素中ESR是最主要的因素。電源的ESR在有反饋回路時阻值很小，但在瞬態(tài)時阻值卻變得很大。同時電源中的ESR也會影響電源的供電質(zhì)量，供電質(zhì)量主要是指精度和紋波。電源中的ESR越大，電源的紋波越大、精度越低，即供電質(zhì)量越差，反之供電質(zhì)量越好。由此可見，電源中的ESR的大小會同時影響電源的動態(tài)特性與供電質(zhì)量。如果采用電池作為提供短時高功率脈沖的電源，電池的輸出阻抗（內(nèi)阻即ESR）高，而且其輸出阻抗還隨著溫度、頻率、電流等因素的變化而

6、變化，從而降低其供電質(zhì)量，并使電池的動態(tài)特性變差。所以，可以通過減小負載端的電源的內(nèi)阻的方法來改善電源的動態(tài)特性。但是有沒有什么方法既能增大電源的輸出功率，使電源能夠提供高功率脈沖又能使電源的動態(tài)特性得到改善呢？ 3.解決問題的方法解決問題的方法是設計一個專門的電源提供短時高功率的脈沖。當采用原(不充電)電池為電子設備供電時，其中的一個局限性就是電池的功率容量，電池的功率容量不能提供短時高功率的脈沖。傳統(tǒng)的解決電池容量問題的方法是使用高功率充電電池，用低功率原電池充電，即在電池的終端并聯(lián)一個額外的充電電池，如圖1所示。這將導致電池和最后成品的體積和成本的增加。但是如果能找到一個儲能元件或電路，

7、其容量大并且其內(nèi)阻比電池的內(nèi)阻小很多，那么它與電池并聯(lián)，可以增大電池的功率容量并且電池的內(nèi)阻也可以忽略不計，即電池內(nèi)阻的變化將不影響電源的供電質(zhì)量，則這個新的電源即可以提供短時高功率脈沖又可以改善電源的供電質(zhì)量，即改善電源的動態(tài)特性。其中的儲能元件以采用超級電容器為最佳方案。超級電容器的最大特點就是可以高功率的短時放電，提供比電池高很多的短時極高功率電能（電源），即超級電容器可以短時提供極高功率的脈沖電能。同時由于現(xiàn)在的超級電容器不僅電容量大，而且其內(nèi)阻也很低。例如，AVX公司生產(chǎn)了一系列bestcap®超級電容器，這一系列超級電容器都具有額定電壓高，內(nèi)阻小，頻率特性好的特點，其中B

8、Z025A404Z_B型號的bestcap®超級電容器可以達到額定容量400mF、額定電壓5.5V、內(nèi)阻的典型值為35m，最大值為42 m?？梢?，現(xiàn)在的超級電容器的內(nèi)阻比電池的內(nèi)阻小很多。因此，將bestcap®超級電容器作為儲能元件，與電池并聯(lián)作為電源供電，如圖2所示，這樣可以很好地解決電源供電質(zhì)量與電源功率的矛盾。這是專門釋放短時高功率脈沖的電源。4. bestcap®超級電容器的特性bestcap®超級電容器是AVX公司生產(chǎn)的一系列超級電容器，它具有電容量大、額定電壓高、等效串聯(lián)電阻小、阻抗頻率特性好的特點。AVX的bestcap®技術(shù)，

9、提供了良好的電源脈沖特性，其中包括高電容量，超低的ESR和非常低的漏電流值。bestcap®超級電容器不但具有高電容量的優(yōu)點，而且其電容量在溫度變化時，具有很好的穩(wěn)定特性。如圖3所示，圖3是bestcap®超級電容器的電容量隨溫度變化的曲線。其超低的ESR，可以將瞬間電壓壓降減小到最小。如圖4、5 所示，圖4為bestcap®超級電容器ESR隨溫度變化的曲線，圖5為bestcap®超級電容器ESR的頻率特性曲線。bestcap®超級電容器的ESR限制放電電流的大小。bestcap®超級電容器可以使短電流的脈沖寬度小于幾百毫秒。同時be

10、stcap®超級電容器對長達100ms的脈沖持續(xù)時間能產(chǎn)生足夠低的電壓壓降并且在低溫度(-20)條件下也能有足夠低的電壓壓降。5.實驗結(jié)果bestcap®超級電容器用于電池并聯(lián)中，可以改善電壓特性和大電流脈沖，如圖6所示，同時提高了效率和延長了電池的使用時間。由于 bestcap®超級電容器與電池并聯(lián)一起給短電流脈沖提供的電壓比單由電池提供的電壓高，如圖7所示，所以可以提高功率放大器的效率。另外, 由bestcap®超級電容器提供的比電源電壓高的電壓能保持電壓脈沖高于關斷電壓的時間比單由電池作用的時間長。圖7（a）（在+25條件下測試）和圖7（b）（在0

11、條件下測試）中的數(shù)字表明了使用時間的增加。6.結(jié)論由上述的實驗結(jié)果可以看出，由于bestcap®超級電容器，具有電容量大、額定電壓高、等效串聯(lián)電阻小、阻抗頻率特性好的特點，所以當bestcap®超級電容器與電池并聯(lián)一起作為電源給負載供電時，可以改善電源的動態(tài)特性，提高電源的供電質(zhì)量。參考文獻：（1）陳永真電容器原理及其應用科學出版社，2005 10，217218（2）方偉新，吳森，宗楊超級電容與蓄電池并聯(lián)使用對混合動力公交車的改進J 客車技術(shù)與研究，2005(5) 1114.（3）陳永真超級電容器原理及應用C/中國電源學會第15屆全國技術(shù)論文集上海：中國電源學會，2004 499502作者簡介潘艷，女，1982年生，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。通訊地址：遼寧省錦州市古塔區(qū)士英街169號 遼寧工業(yè)大學 郵編：121001。寧武，男，1980年生，講師，碩士研究生，