超级电容储能模块设计.docx

超级电容储能模块设计电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用 近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益 增加可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越 特点普遍应用在各行各业但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能 差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来 越无法满足人们对储能系统的要求超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容它既具有静电 电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力［1，2］,单体的容量目前已经做 到万法拉级同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、 容量配置灵活、环境友好免维护等优点自1957年美国人Becker发表第一篇关于超级电 容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、 UPS 等应用方向进 行研究，目前已开发出了 50kVA和80kVA的实验样机［3］；利用超级电容器配合蓄电池作为 辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率［4］，并出现了超级电容混合动力汽车［5］。

随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部 分取代传统蓄电池本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代12V蓄电池的超级电容模块，通过计算分析 得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量该模块具有寿命长， 不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景一、 超级电容储能模块的设计由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压人皿，所以单体超级电容的能量为其中C为超级电容的单体电容量，九为单体超级电容充电完成的电压值 超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电 容的使用范围而通过相应的DC-DC芯片可以提高超级电容的最低工作电压假设超级电 容以 m 个串联， n 组并联的方式构成则每个超级电容的能量输出为Cl240LIFC2240 OFC3240LirC4240 OFCJ240LIFC6^40 OFC724ui：irC8iiuuF其中 ， 为芯片的最低启动电压故超级电容阵列的能量总输出为验二哪舸，％为超级电容的总能量本文采用SU2400P-0027V-1RA超级电容，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联 电阻(ESR (DC) =1mQ )。

为了构成替代12V蓄电池的超级电容模块，我们采用8个 2400F/2.7V的电容构成模块，采用4个超级电容单体串联，两组并联的方式构成，如图1 所示图1超级电容阵列构成超级电容器的特性，如功率密度、能量密度、储能效率、循环寿命等，取决于器件内部的材料、结构和工艺，器件并联或串联不会影响其特性［6］其等效串联内阻(2)其中，药为串联器件数，叫为并联支路数超级电容器组的等效电容为：(3)将超级电容模块的容量与蓄电池的容量参数的比较，由得到对应于蓄电池安时数的超级电容阵列容量为 3600 ，其中Umin为相应的芯片的最低启动电压三、相关电路的设计电路的总体构图如图3所示，它包括充电电路、超级电容储能模块和工作放电电路等部分 组成，其设计流程图如图2所示220V充电超级电容 稳压输市电 /电路—V储能模块出电路图 2 电路设计流程3.1 充电电路把超级电容等效为一个理想电容器C;与一个较小阻值的电阻（等效串联■R D阻抗，^）相串联，同时与一个较大阻值的电阻（等效并联阻抗， ）相并联的结构如图3所示［7］畏］3超级电客蓉数模型P超级电容可以进行大电流充电，但是由于串联等效电阻 紅的存在采用过大电流充电时，超级电容的充电效率会有一定程度的降低，因此需要考虑充电电流对 超级电容的工作效率的影响。

采用恒流充电时，如图3所示，Is为恒流充电电流值，则u(t)表示超级电容器端电压，兔①表示超级电容器内储存电荷所决定的电容电压其中卩口 =0V，为超级电容的初电压，‘Z託表示在等效串联电阻Res上的压降充电过程中消耗的总电能为超级电容器存储的能量为由能量守恒公式，等式叭十叫=^成立，理想情况下，超级电容器的恒流充电效率表示 为:采用matlab对超级电容的充电电流和工作效率进行模拟，并采用origin软件对结果进行处 理，结果如下：1 .LILI2040506 0壳电电流Is■•单的图4充电电流与充电效率n的关系0.98 -0.98 ~\由图4可知，超级电容单体在充电电流为3A~8A时保持比较高的充电效率,之后，随着电流 强度的增大，损耗在相应电阻上的功率也随之增大,充电效率逐渐下降542WLI根据上面的结果，我们采用L4970A芯片构成相关的充电电路对超级电容进6to C0 9uinhi3 rw — —行充电，如图5所示，该电路可以提供10A的恒流充电电流，其输出电压由电阻R7和R9 确定L4970A是ST公司推出的第二代单片开关稳压器，具有输出电流大，输入电压范围宽，开 关频率高等特点，具有很高的充电效率。

市电220V通过整流滤波之后输出35V的直流电 压，随后通过图5所示电路如图所示，C1和C2为输入端滤波电容，C3、C4分别为驱 动级启动端和Vref端的滤波电容R1和R2构成复位输入端的电阻分压器，C5为软启动 电容，C6为复位延迟电容C8和R3构成误差放大器的频率补偿网络，C7则用于高频补 偿°R4和C9分别为定时电阻和定时电容°C10为自举电容续流二极管VD采用MBR2080 型（20A/80V）的肖特基二极管C11和R5构成吸收网络，R6为复位输出端的内部晶体 管的集电极电阻C12~C14为输出端滤波电容，并联三只相同的220“F40V的电解电容以 降低其等效电感L4970A芯片的输出电压设定为10.8V,其输出电阻R7由下式确定： 尽 ，其中 R9=4.7K，令 Uo=10.8V,则 R7=5.25K，取标称值 5.1K超级电容的充电的时间根据公式GWxd，其中C为超级电容的额定容量，dv为超级 电容的电压变化， I 为超级电容的充电电流， t 为充电时间故超级电容阵列的充电时间为（充电电流为10A的情况下）Z = 7 = （2200x2.7x4）x2/10 =475253.2 稳压输出电路由于代替的蓄电池模块的输出电压为12V，而超级电容的电压为10.8V，且随着超级电容工 作不断放电，其两端的电压将不断降低，当超级电容释放储能的 50%的能量时, 其端电压将 下降到初始电压的70%。

因此需要相应的升压控制电路避免由于超级电容阵列电压的降低 影响负载的正常运行,提高超级电容储能的利用率图 6 稳压输出电路我们采用MAXIM公司的升压型dc/dc芯片MAX668MAX668具有很宽的输入输出电压范 围，它可以将3~12V的输入电压升高到12V输出，同时，由于其采用了低至100mV的电 流检测电压和MAXIM公司特有的空闲模式，转换效率高达90%以上，具有最高1A的电流 输出能力，升压电路如图6所示MAX668为固定频率，电流反馈型PWM控制器，内部采用双极型CMOS多输入比较器， 可同时处理输出误差信号、电流检测信号和斜率补偿信号，由于省去了传统的误差放大器 从而抑制了由误差放大产生的相移OMAX668能够驱动多种类型的N沟道MOSFET,这里选 择的是FDS6680由于芯片工作在100 kHz以上的高频状态，所以二极管D1应选取可高 速关断的肖基特二极管，本文选择的是MBR5340T3超级电容以4个串联，2组并联的方式构成每个超级电容的能量输出为呼二 £叫『一£ 匚玩 J = 2200x (2.73 - 0.753) = 74007其中心牛中，S为芯片的最低启动电压.故超级电容阵列的能量总输出为隘二呼舸=4心74D0 = 59200J，超级电容阵列的3600UW 気J =弘朗00疋/7-0方〕二］°厶朋 容量为本超级电容替代模块的容量为10Ah,最大输出电流为1A,若要扩大其应用范围只需要改 变超级电容的串并联数量和相应的芯片即可。

四、总结由于容量的限制, 电容的作用一直被限制在滤波、耦合、谐振等方面随着超级电容的发展, 其应用范围得到不断拓宽本文介绍了一种替代蓄电池的超级电容储能模块,通过合理地设 计充电和稳压电路，该模块的能量输出可达到59200J,具有稳定性好，转换效率高等特点 通过matlab软件计算本文充电电路的电流与效率之间关系，并确定最佳的充电电流范围 随着超级电容耐压的提升、容量的扩大和价格的降低，相应的小功率储能模块具有很好的应 用前景。