替代蓄電池的超級電容儲能模塊設(shè)計

引言

電能是當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?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/蓄電池">蓄電池，特別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],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12V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，所以單體超級電容的能量為，其中C為超級電容的單體電容量，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出為

(1)

其中，為芯片的最低啟動電壓。故超級電容陣列的能量總輸出為，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）=1mΩ）。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。

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

(2)

其中，為串聯(lián)器件數(shù)，為并聯(lián)支路數(shù)。

超級電容器組的等效電容為：

(3)

故超級電容陣列的等效內(nèi)阻和等效電容為，

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)

得到對應(yīng)于蓄電池安時數(shù)的超級電容陣列容量為，其中Umin為相應(yīng)的芯片的最低啟動電壓。