替代蓄电池的超级电容储能模块设计

引言

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，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，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

(1)

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）=1mΩ）。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。

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，为串联器件数，为并联支路数。

超级电容器组的等效电容为：

(3)

故超级电容阵列的等效内阻和等效电容为，

将超级电容模块的容量与蓄电池的容量参数的比较，由

(4)

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部分组成，其设计流程图如图2所示。

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]。

超级电容可以进行大电流充电，但是由于串联等效电阻的存在，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，表示超级电容器内储存电荷所决定的电容电压

(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。

充电过程中消耗的总电能为

(7)

超级电容器存储的能量为

(8)

由能量守恒公式，等式成立，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，并采用origin软件对结果进行处理，结果如下：

图4 充电电流与充电效率η的关系

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。

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