超級電容儲能模塊設(shè)計

1、超級電容儲能模塊設(shè)計電能是當(dāng)代社會不可或缺的重要資源，而儲能設(shè)備的優(yōu)劣直接影響著電力設(shè)備的充分應(yīng)用。 近年來隨著便攜式設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)以及電動車的大量開發(fā)使用，蓄電池的使用量日益 增加?？沙潆娦铍姵兀貏e是鉛酸蓄電池憑借其價格低廉、性能穩(wěn)定、沒有記憶功能等卓越 特點普遍應(yīng)用在各行各業(yè)。但蓄電池受其先天條件的制約，存在著循環(huán)壽命差、高低溫性能 差、充放電過程敏感、深度放電性能容量恢復(fù)困難、環(huán)境污染的問題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來 越無法滿足人們對儲能系統(tǒng)的要求。超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種新型電力儲能器件，也稱為電化學(xué)電容。它既具有靜電 電容器的高放電功率優(yōu)勢又像電池一樣具有較大電荷儲存能力1

2、,2,單體的容量目前已經(jīng)做 到萬法拉級。同時，超級電容還具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、 容量配置靈活、環(huán)境友好免維護(hù)等優(yōu)點。自1957年美國人Becker發(fā)表第一篇關(guān)于超級電 容的專利以來，超級電容的應(yīng)用范圍越來越廣:在直流電氣化鐵路供電、UPS等應(yīng)用方向進(jìn) 行研究，目前已開發(fā)出了 50kVA和80kVA的實驗樣機3；利用超級電容器配合蓄電池作為 輔助動力源，促進(jìn)汽車的能源回收，提高能源利用率4，并出現(xiàn)了超級電容混合動力汽車5。 隨著超級電容性能的提升，它將有望在小功耗電子設(shè)備、新能源利用以及其他一些領(lǐng)域中部 分取代傳統(tǒng)蓄電池。本文介紹了一種基于超級電容設(shè)計的用以替代1

3、2V蓄電池的超級電容模塊，通過計算分析 得出模塊的組合結(jié)構(gòu)、最佳充電電流范圍、充電時間以及總的輸出能量。該模塊具有壽命長， 不造成污染，功率和能量密度大等優(yōu)點，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。一、超級電容儲能模塊的設(shè)計 由于超級電容的放電不完全，存在最低工作電壓m，所以單體超級電容的能量為1 . 1 .甌七、-弓0療，其中C為超級電容的單體電容量，m取為單體超級電容充電完成的電壓值。超級電容器單體儲存能量有限且耐壓不高，需要通過相應(yīng)的串連并聯(lián)方法擴容，擴大超級電 容的使用范圍。而通過相應(yīng)的DC-DC芯片可以提高超級電容的最低工作電壓。假設(shè)超級電 容以m個串聯(lián)，n組并聯(lián)的方式構(gòu)成。則每個超級電容的能量輸

4、出為U-.u .二、皿111一 ULXL.其中幽，-皿山為芯片的最低啟動電壓。故超級電容陣列的能量總輸出為 電二呵筍，時通為超級電容的總能量。本文采用SU2400P-0027V-1RA超級電容，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯(lián) 電阻（ESR（DC）=1mQ）。為了構(gòu)成替代12V蓄電池的超級電容模塊，我們采用8個 2400F/2.7V的電容構(gòu)成模塊，采用4個超級電容單體串聯(lián)，兩組并聯(lián)的方式構(gòu)成，如圖1 所示。圖1超緘電容陣列構(gòu)成超級電容器的特性，如功率密度、能量密度、儲能效率、循環(huán)壽 命等，取決于器件內(nèi)部的材料、結(jié)構(gòu)和工藝，器件并聯(lián)或串聯(lián)不會影響其特性6。其等效 串聯(lián)內(nèi)阻RN陰甘（2）其

5、中，為串聯(lián)器件數(shù)，皿為并聯(lián)支路數(shù)。超級電容器組的等效電容為：C =室映虬故超級電容陣列的等效內(nèi)阻和等效電容為Rg=，將超級電容模塊的容量與蓄電池的容量參數(shù)的比較，由(4)Q = C-U = I-t(4)得到對應(yīng)于蓄電池安時數(shù)的超級電容陣列容量為3600 ，其中umin為相應(yīng)的芯片的最低啟動電壓。三、相關(guān)電路的設(shè)計電路的總體構(gòu)圖如圖3所示，它包括充電電路、超級電容儲能模塊和工作放電電路等部分 組成，其設(shè)計流程圖如圖2所示。穩(wěn)壓輸出電路穩(wěn)壓輸出電路圖2電路設(shè)計流程3.1充電電路3.1充電電路把超級電容等效為一個理想電容器C;與一個較小阻值的電阻（等效串聯(lián)pP阻抗，散）相串聯(lián)，同時與一個較大阻值的電

6、阻（等效并聯(lián)阻抗，）相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。如圖3所示7。圖3超奴電容等效模型P超級電容可以進(jìn)行大電流充電，但是由于串聯(lián)等效電阻蝦的存在，采用過大電流充電時，超級電容的充電效率會有一定程度的降低，因此需要考慮充電電流對超級電容的工作效率的影響。采用恒流充電時，如圖3所示，Is為恒流充電電流值，則(5)(5)u(t)表示超級電容器端電壓，頑)表示超級電容器內(nèi)儲存電荷所決定的電容電壓其中也=0V，為超級電容的初電壓，濃跆表示在等效串聯(lián)電阻Res上的壓降。充電過程中消耗的總電能為Lj超級電容器存儲的能量為Lj(8)由能量守恒公式，等式叫成立，理想情況下，超級電容器的恒流充電效率表示為:(9)采用matlab對

7、超級電容的充電電流和工作效率進(jìn)行模擬，并采用origin軟件對結(jié)果進(jìn)行處 理，結(jié)果如下：由圖4可知，強度的增大，圖4充電電流與充電效率n的關(guān)系超級電容單體在充電電流為3A8A時保持比較高的充電效率,之后，隨著電流 損耗在相應(yīng)電阻上的功率也隨之增大,由圖4可知，強度的增大，圖4充電電流與充電效率n的關(guān)系超級電容單體在充電電流為3A8A時保持比較高的充電效率,之后，隨著電流 損耗在相應(yīng)電阻上的功率也隨之增大,充電效率逐漸下降。U5充電電路設(shè)計LI根據(jù)上面的結(jié)果，我們采用L4970A芯片構(gòu)成相關(guān)的充電電路對超級電容進(jìn)行充電，如圖5所示，該電路可以提供10A的恒流充電電流，其輸出電壓由電阻R7和R9

8、確定。L4970A是ST公司推出的第二代單片開關(guān)穩(wěn)壓器，具有輸出電流大，輸入電壓范圍寬，開 關(guān)頻率高等特點，具有很高的充電效率。市電220V通過整流濾波之后輸出35V的直流電 壓，隨后通過圖5所示電路。如圖所示，C1和C2為輸入端濾波電容，C3、C4分別為驅(qū) 動級啟動端和Vref端的濾波電容。R1和R2構(gòu)成復(fù)位輸入端的電阻分壓器，C5為軟啟動 電容，C6為復(fù)位延遲電容。C8和R3構(gòu)成誤差放大器的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，C7則用于高頻補 償R4和C9分別為定時電阻和定時電容C10為自舉電容。續(xù)流二極管VD采用MBR2080 型（20A/80V）的肖特基二極管。C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，R6為復(fù)位輸出端的內(nèi)

9、部晶體 管的集電極電阻。C12C14為輸出端濾波電容，并聯(lián)三只相同的220mF/40V的電解電容以 降低其等效電感。叫二（14鳥妃一 1/ L4970A芯片的輸出電壓設(shè)定為10.8V，其輸出電阻R7由下式確定：&，其中 R9=4.7K，令 Uo=10.8V，則 R7=5.25K，取標(biāo)稱值 5.1K。超級電容的充電的時間根據(jù)公式= m，其中c為超級電容的額定容量，dv為超級 電容的電壓變化，I為超級電容的充電電流，t為充電時間。故超級電容陣列的充電時間為（充電電流為10A的情況下）Z =7 = （2200 x2.7x4）x2/10 =475253.2穩(wěn)壓輸出電路由于代替的蓄電池模塊的輸出電壓為1

10、2V，而超級電容的電壓為10.8V，且隨著超級電容工 作不斷放電，其兩端的電壓將不斷降低，當(dāng)超級電容釋放儲能的50%的能量時，其端電壓將 下降到初始電壓的70%。因此需要相應(yīng)的升壓控制電路避免由于超級電容陣列電壓的降低 影響負(fù)載的正常運行，提高超級電容儲能的利用率。u -l-luFOi-HDQtiOuFR4I WK麗WP：EFFS亦或1rJi-iDLI rw. u wu -l-luFOi-HDQtiOuFR4I WK麗WP：EFFS亦或1rJi-iDLI rw. u w_U 01 uF14他1S1+石_L4一 .1aSuFp tiSuF1 u 1 U?Lh-D rJiiflukiSupF圖6穩(wěn)

11、壓輸出電路我們采用MAXIM公司的升壓型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很寬的輸入輸出電壓范 圍，它可以將312V的輸入電壓升高到12V輸出，同時，由于其采用了低至100mV的電 流檢測電壓和MAXIM公司特有的空閑模式，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，具有最高1A的電流 輸出能力，升壓電路如圖6所示。MAX668為固定頻率，電流反饋型PWM控制器，內(nèi)部采用雙極型CMOS多輸入比較器， 可同時處理輸出誤差信號、電流檢測信號和斜率補償信號，由于省去了傳統(tǒng)的誤差放大器， 從而抑制了由誤差放大產(chǎn)生的相移MAX668能夠驅(qū)動多種類型的N溝道MOSFET,這里選 擇的是FDS6680。由于芯片工作在

12、100 kHz以上的高頻狀態(tài)，所以二極管D1應(yīng)選取可高 速關(guān)斷的肖基特二極管，本文選擇的是MBR5340T3。超級電容以4個串聯(lián)，2組并聯(lián)的方式構(gòu)成。每個超級電容的能量輸出為陟二!C%疽2200 x (2.73 - 0.753) = 74007其中”3 其中”3 為芯片的最低啟動電壓。故超級電容陣列的能量總輸出為電*型眇=服也0 = 59200J，超級電容陣列的_ 8x2400 xC2.7-0.75)_in . 1 U . r-i! J.I1-3600容量為 36003600本超級電容替代模塊的容量為10Ah,最大輸出電流為1A，若要擴大其應(yīng)用范圍只需要改 變超級電容的串并聯(lián)數(shù)量和相應(yīng)的芯片即可。四、總結(jié) 由于容量的限制，電容的作用一直被限制在濾波、耦合