超级电容储能模块设计.docx

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1、超级电容储能模块设计电能是当代社会不行或缺的重要资源，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、不连续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、凹凸温性能 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力气1，2

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、 容量配置灵敏、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 等应用方向进展争论，目前已开发出了 50kVA 和 80kVA 的试验样机3；利用超级电容器协作蓄电池作为关心动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率4，并消灭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、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

3、 蓄电池的超级电容模块，通过计算分析得出模块的组合构造、最正确充电电流范围、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。由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为一、 超级电容储能模块的设计，其中C 为超级电容的单体电容量，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 芯片可以提超群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(1)故超级电容阵列的等效

4、内阻和等效电容为，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，为超级电容的总能量。本文承受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ESRDC=1m 。为了构成替代 12V 蓄电池的超级电容模块，我们承受8 个2400F/2.7V 的电容构成模块，承受 4 个超级电容单体串联，两组并联的方式构成，如图1 所示。超级电容器的特性，如功率密度、能量密度、储能效率、循环寿(2)命等，取决于器件内部的材料、构造和工艺，器件并联或串联不会影响其特性6。其等效串联内阻其中，为串联器件数，为并联支路数。(3)超级电容器组的等效电容为：(4)将超级

5、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，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局部组成，其设计流程图如图 2 所示。图 2 电路设计流程把超级电容等效为一个抱负电容器C;与一个较小阻值的电阻(等效串联3.1 充电电路阻抗，)相串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗，)相并联的构造。如超级电容可以进展大电流充电，但是由于串联等效电阻的存在，图 3 所示7。承受过大电流充电时，超级电容的充电效率会有确定程度的降低，因此需要考虑充电电流对超级电容的工

6、作效率的影响。(5)u(t)表示超级电容器端电压，表示超级电容器内储存电荷所打算的电容电压承受恒流充电时，如图 3 所示，Is 为恒流充电电流值，则(6)其中=0V，为超级电容的初电压，表示在等效串联电阻Res 上的压降。(7)充电过程中消耗的总电能为(8)超级电容器存储的能量为由能量守恒公式，等式成立，抱负状况下，超级电容器的恒流充电效率表示(9)为:承受matlab 对超级电容的充电电流和工作效率进展模拟，并承受origin 软件对结果进展处理，结果如下：图 4 充电电流与充电效率 的关系由图 4 可知，超级电容单体在充电电流为 3A8A 时保持比较高的充电效率,之后，随着电流强度的增大，

7、损耗在相应电阻上的功率也随之增大,充电效率渐渐下降。依据上面的结果，我们承受L4970A 芯片构成相关的充电电路对超级电容进行充电，如图 5 所示，该电路可以供给10A 的恒流充电电流，其输出电压由电阻R7 和R9确定。L4970A 芯片的输出电压设定为 10.8V，其输出电阻 R7 由下式确定：，L4970A 是ST 公司推出的其次代单片开关稳压器，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。如以下图，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

8、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 承受MBR2080 型20A/80V的肖特基二极管。C11 和R5 构成吸取网络，R6 为复位输出端的内部晶体管的集电极电阻。C12C14 为输出端滤波电容，并联三只一样的 220F/40V 的电解电容以降低其等效电感。超级电容的充电的时间依据公式，其中C 为超级电容的额定容量，dv 为超级其中R9=4.7K，令Uo=10.8V，则R7=5.25K，取标称值 5.

9、1K。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 的状况下3.2 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把握电路避开由于超级电容阵列电压的降低影响负载的正常运行,提超群级电容储能的利用率。故超级电容阵列的能量总输出为，超级电容阵列的容量为图 6 稳压输出电路我们承受MAXIM 公司的升压型dc/dc 芯片MAX668。MAX668 具有很宽的输入

10、输出电压范围，它可以将 312V 的输入电压上升到 12V 输出，同时，由于其承受了低至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 的电流输出力气，升压电路如图 6 所示。MAX668 为固定频率，电流反响型PWM 把握器，内部承受双极型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。MAX668 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

11、特二极管，本文选择的是MBR5340T3。其中，为芯片的最低启动电压。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本超级电容替代模块的容量为 10Ah，最大输出电流为 1A，假设要扩大其应用范围只需要转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, 电容的作用始终被限制在滤波、耦合、谐振等方面。随着超级电容的进展， 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到达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，并确定最正确的充电电流范围。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。