替代蓄電池的超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)

引言

電能是當(dāng)代社會(huì)不可或缺的重要資源，而儲(chǔ)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(lái)隨著便攜式設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)以及電動(dòng)車的大量開(kāi)發(fā)使用，蓄電池的使用量日益增加。可充電蓄電池，特別是鉛酸蓄電池憑借其價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、沒(méi)有記憶功能等卓越特點(diǎn)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(guò)程敏感、深度放電性能容量恢復(fù)困難、環(huán)境污染的問(wèn)題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿足人們對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。

超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種新型電力儲(chǔ)能器件，也稱為電化學(xué)電容。它既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢(shì)又像電池一樣具有較大電荷儲(chǔ)存能力[1，2],單體的容量目前已經(jīng)做到萬(wàn)法拉級(jí)。同時(shí)，超級(jí)電容還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(hù)等優(yōu)點(diǎn)。自1957年美國(guó)人Becker發(fā)表第一篇關(guān)于超級(jí)電容的專利以來(lái)，超級(jí)電容的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣:在直流電氣化鐵路供電、UPS等應(yīng)用方向進(jìn)行研究，目前已開(kāi)發(fā)出了50kVA和80kVA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[3]；利用超級(jí)電容器配合蓄電池作為輔助動(dòng)力源，促進(jìn)汽車的能源回收，提高能源利用率[4]，并出現(xiàn)了超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車[5]。隨著超級(jí)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(jí)電容設(shè)計(jì)的用以替代12V蓄電池的超級(jí)電容模塊，通過(guò)計(jì)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(shí)間以及總的輸出能量。該模塊具有壽命長(zhǎng)，不造成污染，功率和能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

一、 超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊的設(shè)計(jì)

由于超級(jí)電容的放電不完全，存在最低工作電壓，所以單體超級(jí)電容的能量為，其中C為超級(jí)電容的單體電容量，為單體超級(jí)電容充電完成的電壓值。

超級(jí)電容器單體儲(chǔ)存能量有限且耐壓不高，需要通過(guò)相應(yīng)的串連并聯(lián)方法擴(kuò)容，擴(kuò)大超級(jí)電容的使用范圍。而通過(guò)相應(yīng)的DC-DC芯片可以提高超級(jí)電容的最低工作電壓。假設(shè)超級(jí)電容以m個(gè)串聯(lián)，n組并聯(lián)的方式構(gòu)成。則每個(gè)超級(jí)電容的能量輸出為

(1)

其中，為芯片的最低啟動(dòng)電壓。故超級(jí)電容陣列的能量總輸出為，為超級(jí)電容的總能量。

本文采用SU2400P-0027V-1RA超級(jí)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(jí)電容模塊，我們采用8個(gè)2400F/2.7V的電容構(gòu)成模塊，采用4個(gè)超級(jí)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(jí)電容器的特性，如功率密度、能量密度、儲(chǔ)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(huì)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(jí)電容器組的等效電容為：

(3)

故超級(jí)電容陣列的等效內(nèi)阻和等效電容為，

將超級(jí)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(duì)應(yīng)于蓄電池安時(shí)數(shù)的超級(jí)電容陣列容量為，其中Umin為相應(yīng)的芯片的最低啟動(dòng)電壓。