超级电容储能模块设计

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1、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、,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1

3、2V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m，所以单体超级电容的能量为1 . 1 .瓯七、-弓0疗，其中C为超级电容的单体电容量，m取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

4、出为U-.u .二、皿111一 ULXL.其中幽，-皿山为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为 电二呵笋，时通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超缄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RN阴甘（2）其

5、中，为串联器件数，皿为并联支路数。超级电容器组的等效电容为：C =室映虬故超级电容阵列的等效内阻和等效电容为Rg=，将超级电容模块的容量与蓄电池的容量参数的比较，由(4)Q = C-U = I-t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。稳压输出电路图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pP阻抗，散）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

6、。如图3所示7。图3超奴电容等效模型P超级电容可以进行大电流充电，但是由于串联等效电阻虾的存在，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(5)u(t)表示超级电容器端电压，顽)表示超级电容器内储存电荷所决定的电容电压其中也=0V，为超级电容的初电压，浓跆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Lj超级电容器存储的能量为(8)由能量守恒公式，等式叫成立，理想情况下，超级电容器的恒流充电效率表示为:(9)采用matlab对超级电容的充电电流和工作效率进行模拟，并采

7、用origin软件对结果进行处 理，结果如下：由图4可知，强度的增大，图4充电电流与充电效率n的关系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 损耗在相应电阻上的功率也随之增大,充电效率逐渐下降。U5充电电路设计LI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。

8、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。C12C14为输出端滤波电容，并联三只相同的220mF/40V的电解电容以 降低其等效电感。叫二（14鸟妃一 1/ L4970A芯片的输出电压设定为10.8V，其输出电阻R7由下

9、式确定：&，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= m，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

10、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。u -l-luFOi-HDQtiOuFR4I WK丽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图6稳压输出电路我们采用MAXIM公司的升压型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很宽的输入输出电压范 围，它可以将312V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。

11、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陟二!C%疽2200x (2.73 - 0.753) = 74007其中”3 为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为电*型

12、眇=服也0 = 59200J，超级电容阵列的_ 8x2400xC2.7-0.75)_in . 1 U . r-i! J.I1-3600容量为 3600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。