超級(jí)電容直流儲(chǔ)能系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 前言1.1 課題背景1.1.1 超級(jí)電容直流儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展概況由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內(nèi)燃機(jī)尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重（尤其是在大、中城市），人們都在研究替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置。已經(jīng)進(jìn)行混合動(dòng)力、燃料電池、化學(xué)電池產(chǎn)品及應(yīng)用的研究開(kāi)發(fā)，取得了一定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學(xué)電池污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂等致命弱點(diǎn)，一直沒(méi)有很好的解決辦法。而超級(jí)電容器以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長(zhǎng)避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車(chē)輛的牽引電源和啟動(dòng)能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊?guó)（特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家）

2、都不遺余力地對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。其中美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)家不僅在研發(fā)生產(chǎn)上走在前面，而且還建立了專(zhuān)門(mén)地 國(guó)家管理機(jī)構(gòu)（如：美國(guó)的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等），制定國(guó)家發(fā)展計(jì)劃，由國(guó)家投入巨資和人力，積極推進(jìn)。就超級(jí)電容器技術(shù)水平而言，目前俄羅斯走在世界前面，其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，并被第17屆國(guó)際電動(dòng)車(chē)年會(huì)（EVS17）評(píng)為最先進(jìn)產(chǎn)品，日本、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家也在急起直追，目前各國(guó)推廣應(yīng)用超級(jí)電容器的領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。在我國(guó)推廣使用超級(jí)電容器，能夠減少石油消耗，減輕對(duì)石油進(jìn)口的依賴(lài)，有利于國(guó)家石油安全；有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問(wèn)題；有

3、利于解決戰(zhàn)車(chē)的低溫啟動(dòng)問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)主要有10余家企業(yè)在進(jìn)行超級(jí)電容器的研發(fā)。 1.2 超級(jí)電容在國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外超級(jí)電容的生產(chǎn)及發(fā)展?fàn)顩r目前,在超級(jí)電容產(chǎn)業(yè)化方面，美國(guó)、日本、俄羅斯處于領(lǐng)先地位，幾乎占據(jù)了整個(gè)超級(jí)電容市場(chǎng)。這些國(guó)家的超級(jí)電容產(chǎn)品在功率、容量、價(jià)格等方面各有自己的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。1.2.2 國(guó)內(nèi)超級(jí)電容的研究現(xiàn)狀1.2. 3 超級(jí)電容的應(yīng)用研究現(xiàn)狀1.2.3.1 超級(jí)電容做混合型電動(dòng)機(jī)車(chē)的啟動(dòng)或加速用輔助電源 目前，大部分內(nèi)燃機(jī)車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、車(chē)輛低溫啟動(dòng)、軌道車(chē)輛能量回收、航天航空、電動(dòng)叉車(chē)、起重機(jī)1.2.3.2 超級(jí)電容是方便可靠的儲(chǔ)能設(shè)備

4、 超級(jí)電容放電速度快、體積小、重量輕，可以為眾多電子產(chǎn)品和存儲(chǔ)器提供電源或后備電源，同時(shí)又可以提供大功率的脈沖電流，可以滿(mǎn)足通訊設(shè)備對(duì)電源的要求。手電筒、直流屏儲(chǔ)能系統(tǒng)、應(yīng)急照明燈儲(chǔ)能系統(tǒng)1.2.3.3 超級(jí)電容在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 超級(jí)電容在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下兩個(gè)方面：(1)提高供電質(zhì)量 在電力變配電所系統(tǒng)中，變配電設(shè)備主要是由直流電源裝置直流屏來(lái)提供直流電源的。(2)UPS系統(tǒng)和應(yīng)急電源 為了解決工廠(chǎng)車(chē)間因?yàn)橥ｋ姸鴰?lái)的經(jīng)濟(jì)損失，通常的儲(chǔ)能設(shè)備是用UPS系統(tǒng)。1.3.3.4 超級(jí)電容在軍用領(lǐng)域有重要用途 衛(wèi)星等空間飛行器的電源大多是:(1)調(diào)節(jié)飛行器配電系統(tǒng)的電壓 電動(dòng)飛行器配電系統(tǒng)

5、直流線(xiàn)電壓是270V，它是由一個(gè)400Hz的交流電整流得到的，美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓波動(dòng)范圍是250V280V。(2)提供軍用重型車(chē)的動(dòng)力 美國(guó)軍方對(duì)超級(jí)電容用于重型卡車(chē)、裝甲運(yùn)兵車(chē)以及坦克很感興趣1。(3)提供激光設(shè)備的電源 激光探測(cè)器和激光武器需要大功率脈沖電源，超級(jí)電容1.3.4 超級(jí)電容在應(yīng)用中需要解決的問(wèn)題(1)超級(jí)電容放電時(shí)端電壓的衰減問(wèn)題 當(dāng)超級(jí)電容作為直流電源輸出給負(fù)載時(shí)，由于電容的電荷減少，所以其電壓也在下降。(2)超級(jí)電容器串并聯(lián)模組的體積優(yōu)化組合 單體超級(jí)電容的耐壓比較小，在高壓應(yīng)用中需要許多電容的串聯(lián)，但是多個(gè)電容串聯(lián)的同時(shí)等效串聯(lián)內(nèi)阻也要增大，所以(3)超級(jí)電容串聯(lián)均壓

6、和過(guò)壓保護(hù)問(wèn)題 由于單體電容器的容量有差異，所以串聯(lián)使用時(shí)電壓分配不平衡。解決這個(gè)問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法是(4)與蓄電池組合使用的計(jì)算方法 一般來(lái)說(shuō)超級(jí)電容實(shí)際電參數(shù)模型的建立第二章：超級(jí)電器2.1超級(jí)電容器原理：又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學(xué)電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在

7、極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。 超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密

8、的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。 雙電層電容器與鋁電解電容相比內(nèi)阻較大，因此，可在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況，雙電層電容器將會(huì)開(kāi)路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿不同。同時(shí)，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時(shí)也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。2.2超級(jí)電容的工作原理超級(jí)電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，與普通電容器一樣，極板的

9、正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個(gè)電荷分布層叫做雙電層，因此電容非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級(jí)電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是

10、物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。2.3超級(jí)電容的技術(shù)原理超級(jí)電容器屬于雙電層電容器，是世界上容量最大的雙層電容器之一。其工作原理與其它種類(lèi)的雙電層電容一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來(lái)獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容的儲(chǔ)電原理是電荷在兩塊極板上被介質(zhì)隔離，兩塊極板之間為真空或一層介電物質(zhì)所隔離。超級(jí)電容結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，電容值為？。其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，所儲(chǔ)存的能量為E=0.5C(OV)平方圖1 超級(jí)電容結(jié)構(gòu)原理圖（看網(wǎng)頁(yè)）2.2超級(jí)電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)表1 超級(jí)電容的特點(diǎn)體積小、容量大、電容量比同體積電解電容容量大3040倍

11、，容量范圍：0.1F1000F；.充、放電電路簡(jiǎn)單，無(wú)需蓄電池那樣的充電電路，陣陣免維護(hù)；充、放電能力強(qiáng)，且充電速度快，10秒內(nèi)達(dá)到額定容量的95%；失效開(kāi)路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠；超長(zhǎng)壽命，可長(zhǎng)達(dá)40萬(wàn)小時(shí)以上；單體電壓類(lèi)型：2.5V2.7V;表2 與傳統(tǒng)電容比較 電容是以將電荷分隔開(kāi)來(lái)的方式儲(chǔ)存能量的，儲(chǔ)存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大；傳統(tǒng)電容是從平板2.3超級(jí)電容的特性2.3.1 工作特性超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量，用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。 傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的

12、組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。 超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器電荷分離開(kāi)的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 &Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級(jí)”所在。 2.3.2 技術(shù)特性超級(jí)電容器的技術(shù)特性1. 充電速度快，充電 10 秒 10 分鐘可達(dá)到其額定

13、容量的 95 %以上； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性2. 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá) 150 萬(wàn)次； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性3. 能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小，大電流能量循環(huán)效率 90% ； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性4. 功率密度高，可達(dá) 300W/KG5000W/KG ，相當(dāng)于電池的 510 倍； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性5. 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性6. 安全系數(shù)高，長(zhǎng)期使用免維護(hù)； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性7. 超低溫特性好，可工作于攝氏零下 30 的環(huán)境中； 超級(jí)電容器的技術(shù)特性8. 檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出。2.

14、4 超級(jí)電容的主要性能參數(shù)超級(jí)電容的主要性能參數(shù)決定于電容器電極、電解液的材質(zhì)和制造工藝。超級(jí)電容的性能參數(shù)主要有：電容容量：超級(jí)電容能夠存儲(chǔ)電荷的最大容量。等效串聯(lián)內(nèi)阻ESR（Equivalent Series Resistance）：當(dāng)超級(jí)電容模擬成電阻、電容、電感的等效模擬電路時(shí)，其中串聯(lián)部分的電阻就是等效串聯(lián)內(nèi)阻。理想存儲(chǔ)能量：電容器存儲(chǔ)能量的理想值。對(duì)于一個(gè)最簡(jiǎn)單的電化學(xué)電容器，其理想存儲(chǔ)能量可以通過(guò)式(21)來(lái)計(jì)算。E= (2-1)式中 電容器的容量；電容器的工作電壓最大輸出功率：當(dāng)為電容器外接一個(gè)合適的負(fù)載時(shí)，其可以達(dá)到的最大輸出功率，計(jì)算公式為式（22）所示。P= (2-2)式

15、中 電容器的初始電壓；ESR電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻2.5超級(jí)電容等效串聯(lián)內(nèi)阻（ESR）的測(cè)量2.5.1超級(jí)電容的等效模型超級(jí)電容的等效模型如下圖2-1所示。圖2-1 超級(jí)電容的等效模型2.5.2測(cè)量超級(jí)電容ESR的方法2.5.2.1利用電壓躍變計(jì)算ESR 由于電容ESR的影響，電容在充、放電(1)放電電壓躍變法 這種方法的原理圖如圖2-2所示。圖2-2 中，輸出端子a 接至圖2-2 測(cè)量ESR的實(shí)驗(yàn)電路 (2)充電電壓躍變法 此方法的實(shí)驗(yàn)原理如圖2-3所示。RC恒壓電源函數(shù)記錄儀R1圖2-3 測(cè)量ESR的實(shí)驗(yàn)電路由公式(2-5)計(jì)算出等效串聯(lián)電阻ESR20。 (2-5)式中 U0開(kāi)始充電瞬間電容

16、器兩端電壓，該電壓可由函數(shù)記錄儀記錄的充電曲線(xiàn)得到2.52.2利用恒流充電計(jì)算ESR 利用恒流充電計(jì)算ESR的方法按照特點(diǎn)2.5.2.3時(shí)間常數(shù)法計(jì)算ESR 此方法的實(shí)驗(yàn)原理如圖2-6所示RR0C0UR1K圖2-6 測(cè)量ESR的實(shí)驗(yàn)電路2.5.2.4基于一階濾波器的ESR計(jì)算方法用超級(jí)電容和電阻組成一階濾波器電路如圖2-7所示，仿真電路原理圖如圖2-8所示。n5 圖2-7 一階濾波器的等效電路 圖2-8 ESR仿真原理圖 2.6 超級(jí)電容放電實(shí)驗(yàn)和漏電流的估算2.6.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析用一個(gè)+5V直流電壓源對(duì)600F/2.7V，300F/2.7V、50F/2.7V的三個(gè)超級(jí)行充電，可以得到6

17、00F、50F、300F超級(jí)電容的等效并聯(lián)電阻分別如表2-3、表2-4、表2-5所示。表2-3 600F的電容不同放電時(shí)段的等效并聯(lián)電阻Table 2-3 EPR of 600F supercapacitor at different time放電時(shí)間(h)0-1010-2020-3034-4560-80120-140等效并聯(lián)電阻()130347366428451658圖2-12 三個(gè)不同容量的超級(jí)電容放電曲線(xiàn)比較表2-4 50F的電容在各個(gè)時(shí)段的等效并聯(lián)電阻放電時(shí)間(h)0.550.55-1010-2023-3333-43等效并聯(lián)電阻()21918549000878011250放電時(shí)間(h)

18、92-102162173190200240250287297等效并聯(lián)電阻()12183146942166032114492142.6.2影響超級(jí)電容放電速度的因素圖2-14給出了一超級(jí)電容在充電至額定電壓1V時(shí)并恒壓保持圖2-14 恒壓時(shí)間對(duì)漏電流的影響這種現(xiàn)象的原因可作如下解釋?zhuān)弘姌O/溶液界面雙電層由第三章：RLC諧振電路3.1 RLC諧振電路的特點(diǎn)1因?yàn)槔碚撝刀际菄?yán)格的數(shù)據(jù)推論，在試驗(yàn)當(dāng)中采用的元件數(shù)值，和環(huán)境溫度都是具有偏差，其相差是各個(gè)數(shù)值偏差乘積的關(guān)系，所以顯示相差很大。2因?yàn)榇?lián)諧振發(fā)生后元件的串聯(lián)端電壓升高許多，稱(chēng)為串聯(lián)諧振。人們利用這個(gè)效應(yīng)發(fā)明了收音機(jī)的選頻電路。 并聯(lián)諧振的發(fā)

19、生表現(xiàn)為線(xiàn)路電流增加許多，所以稱(chēng)作并聯(lián)諧振。人們利用這個(gè)特性，開(kāi)發(fā)出陷波電路，專(zhuān)門(mén)吸收某個(gè)不希望的頻率。3 諧振狀態(tài)的電壓升高是若干元件的特性因數(shù)共同起作用的一種表現(xiàn)，一旦改變了特性因數(shù)升壓也就消失。所以不可以用負(fù)載的因素加入。3.2. 2 RLC串聯(lián)諧振電路的特性 當(dāng)外來(lái)頻率加于一RLC并聯(lián)諧振電路時(shí),它有以下特性：（1）RC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性選擇正弦波信號(hào)，保持其輸出幅度不變，用示波器測(cè)量不同頻率時(shí)Uc，可取C=0.01µF，R=1K¤,也可根據(jù)實(shí)際情況自選R、C參數(shù)。自擬數(shù)據(jù)記錄表格，根據(jù)測(cè)量結(jié)果作RC串聯(lián)電路的幅頻特性圖。用雙通道示波器觀(guān)測(cè)時(shí)可用一個(gè)通道監(jiān)測(cè)信號(hào)源電

20、壓，另一個(gè)通道測(cè)量Uc，但需要注意兩通道的接地點(diǎn)應(yīng)位于線(xiàn)路的同一點(diǎn)，否則會(huì)引起電路短路。（2）RC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性選擇方波作為信號(hào)源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇合適的R和C值，根據(jù)時(shí)間常數(shù)，選擇合適的方波頻率，一般要求方波的周期T>10, 這樣能較完整的反應(yīng)暫態(tài)過(guò)程，做出RC電路的暫態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。改變方波頻率，觀(guān)察波形的變化情況，分析相同的值在不同頻率時(shí)的波形變化情況。（3）RLC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性選擇正弦波信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選擇合適的L值，C值和R值，用示波器的兩個(gè)通道分別測(cè)量信號(hào)源電壓U和電阻電壓UR。選擇合適的正弦波頻率范圍，從低到高調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)電阻電壓UR為最大時(shí)的頻率既為諧振頻率，觀(guān)測(cè)RLC串聯(lián)

21、電路的幅頻特性。3.2.2諧振電路振蕩頻率和品質(zhì)因數(shù)定義RLC串聯(lián)諧振的振蕩頻率是23： (3-1)RLC并聯(lián)諧振的振蕩頻率是23： (3-2)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q（也稱(chēng)諧振系數(shù)）反映的是諧振電路的性能23，定義為， (3-3)式中 諧振角頻率； 串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，=3.3 超級(jí)電容串聯(lián)諧振可能性與諧振條件研究3.3.1 串聯(lián)諧振仿真實(shí)驗(yàn)方法 串聯(lián)仿真實(shí)驗(yàn)所采用的電路原理如圖3-1所示。圖3-1中n112圖3-1. 串聯(lián)諧振仿真電路原理圖Fig.3-1 Schematic diagram of series connection resonance simulation3.3.2 串聯(lián)諧

22、振仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)以上的仿真結(jié)果，可以得出：超級(jí)電容是從仿真看來(lái)，3.4 超級(jí)電容并聯(lián)諧振可能性與諧振條件研究 3.4.1 并聯(lián)諧振仿真實(shí)驗(yàn)方法 3.4.2 并聯(lián)諧振仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 3.5 超級(jí)電容串聯(lián)均壓與保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.5.1 超級(jí)電容串聯(lián)均壓的必要性分析3.5.2 超級(jí)電容串聯(lián)均壓的途徑(1)電阻均壓電路 這種方法是(2)齊納二極管穩(wěn)壓電路 這種方法(3)電力電子buck-boost 電路 解決電容矩陣電壓平衡問(wèn)題3.5.3 超級(jí)電容串聯(lián)保護(hù)電路設(shè)計(jì)3.6本章小結(jié)本章問(wèn)題，得出以下結(jié)論：(1)由于超級(jí)電容(2)要超級(jí)電容充電器設(shè)計(jì)4.1 引言4.2電容器的充電方法的選擇 4.3 超級(jí)電容

23、充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1 PWM控制器芯片UC3842 4.3.2 IR2117驅(qū)動(dòng)芯片4.3.2.1 驅(qū)動(dòng)芯片IR2117的主要功能特點(diǎn) IR2117是由4.3.2.2 自舉電容的計(jì)算與選擇 由于IR2117是依靠自舉電容的充電來(lái)自舉電路 Vbs 集成電路影響自舉電源的因素 一般來(lái)講，影響圖4-6 IR2117的自舉電路充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果 采用本文設(shè)計(jì)的恒流電源對(duì)300F/2.7V和 600F/2.7V 圖4-7 300F超級(jí)電容充電電流圖 圖4-8 600F超級(jí)電容充電電流圖 4.4 超級(jí)電容充電器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.4.1 MC68HC908GP32單片機(jī)的資源4.4.2上位機(jī)和下位機(jī)之間的通

24、信協(xié)議4.4.3 上位機(jī)用戶(hù)程序的功能4.5 本章小結(jié)超級(jí)電容在應(yīng)用中的計(jì)算方法5.1引言5.2 超級(jí)電容計(jì)算方法的原理分析5.2.1 超級(jí)電容的放電過(guò)程分析 5.2.2超級(jí)電容應(yīng)用系統(tǒng)中的主要性能參數(shù)5.3 超級(jí)電容用作后備電源的計(jì)算方法實(shí)例分析5.3.1 超級(jí)電容型號(hào)已知的解決方案 5.3.2 超級(jí)電容型號(hào)未知的解決方案5.4 超級(jí)電容和蓄電池的并聯(lián)組合的計(jì)算方法5.4.1 蓄電池的等效模型簡(jiǎn)介發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)5.4.2 影響蓄電池的容量的因素5.4.3蓄電池和超級(jí)電容并聯(lián)組合的計(jì)算方法超級(jí)電容器原理：又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學(xué)電

25、容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。 超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過(guò)剩電荷，從而使

26、相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。 雙電層電容器與鋁電解電容相比內(nèi)阻較大，因此，可在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況，雙電層電容器將會(huì)開(kāi)路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿不同。同時(shí)

27、，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時(shí)也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。分類(lèi)按原理分超級(jí)電容器的類(lèi)型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡(jiǎn)單介紹。 按原理分為雙電層型超級(jí)電容器和贗電容型超級(jí)電容器： 雙電層型超級(jí)電容器 分類(lèi)多樣1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過(guò)成型制備電極。 2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過(guò)增強(qiáng)，噴涂或熔融金屬增強(qiáng)其導(dǎo)電性制備電極。 3.碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過(guò)炭化活化得到電極材料。 4.碳納米管電極材料，

28、碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級(jí)電容器電極。 以上電極材料可以制成： 1.平板型超級(jí)電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級(jí)電容器，可以達(dá)到300V以上的工作電壓。 2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過(guò)繞制得到，這類(lèi)電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。 贗電容型超級(jí)電容器 包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負(fù)極材料制備的超級(jí)電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、

29、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級(jí)電容器。這一類(lèi)型超級(jí)電容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它類(lèi)型多處于研究階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。 按電解質(zhì)類(lèi)型可以分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)類(lèi)型： 水性電解質(zhì) 1.酸性電解質(zhì)，多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。 2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。 3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。 有機(jī)電解質(zhì) 通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機(jī)溶劑如PC、A

30、CN、GBL、THL等有機(jī)溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。 其他分類(lèi)1.液體電解質(zhì)超級(jí)電容器，多數(shù)超級(jí)電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。 2.固體電解質(zhì)超級(jí)電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應(yīng)用于超級(jí)電容器的電解質(zhì)也對(duì)凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進(jìn)行研究。 充放電時(shí)間超級(jí)電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實(shí)際上決定于電容器單體大小，對(duì)于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。 超級(jí)電容器的電阻阻礙其快速放電，超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)在1-2s，完全給阻-容式電路放電

31、大約需要5，也就是說(shuō)如果短路放電大約需要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實(shí)際上得花上數(shù)個(gè)小時(shí)才能將殘留的電荷完全釋放） 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量；無(wú)須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過(guò)充、過(guò)放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級(jí)電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問(wèn)題； 缺點(diǎn)如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路； 與電池的比較超級(jí)電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時(shí)將兩者結(jié)合起來(lái)，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲(chǔ)結(jié)合起來(lái)，不失為一種更好的途徑。 超級(jí)電容器

32、在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過(guò)放可能造成永久性破壞。 超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。 超級(jí)電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某?jí)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量。在一些功率決定能量存儲(chǔ)器件尺寸的應(yīng)用中，超級(jí)電容器是一種更好的途徑。 超級(jí)電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無(wú)任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。 超級(jí)電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。 超級(jí)電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬(wàn)次，而電池壽命僅幾

33、百個(gè)循環(huán)。如何選擇超級(jí)電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時(shí)流向負(fù)載大電流；瞬時(shí)功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用：斷電時(shí)齒盤(pán)驅(qū)動(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。超級(jí)電容器應(yīng)用廣泛下面提供了兩種計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例： C(F)： 超電容的標(biāo)稱(chēng)容量； R(Ohms)： 超電容的標(biāo)稱(chēng)內(nèi)阻； ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯(lián)電阻； Uwork(V)： 在電路中的正常工作電壓 Umin(V)

34、： 要求器件工作的最小電壓； t(s)： 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間； Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí)，總的電壓降； I(A)： 負(fù)載電流； 瞬時(shí)功率保持應(yīng)用 超電容容量的近似計(jì)算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。 保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t； 超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)， 因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=I(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2) 實(shí)例： 假設(shè)磁帶驅(qū)動(dòng)的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,

35、根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。 因?yàn)?V的電壓超過(guò)了單體電容器的標(biāo)稱(chēng)工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話(huà)，那每只的電壓即是其標(biāo)稱(chēng)電壓2.5V。 如果我們選擇標(biāo)稱(chēng)容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器20%的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標(biāo)稱(chēng)容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F。考慮20%的容量偏差，最小值1.2F/2=0.6F。這種超級(jí)電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。 在該實(shí)例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。 脈沖功率應(yīng)用 脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時(shí)

36、大電流相對(duì)的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間從1ms到幾秒。 設(shè)計(jì)分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實(shí)例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時(shí)壓降。關(guān)系如下： Udrop=I(R+t/C) 電容板上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。 對(duì)于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計(jì)，標(biāo)稱(chēng)是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對(duì)于一個(gè)0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ohms。即便是

37、0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms，顯然R（0.090Ohms）決定了上式的Udrop輸出。 實(shí)例： GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對(duì)于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。 選擇超級(jí)電容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC

38、 ESR：0.250Ohms）。對(duì)于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。 結(jié)論 不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計(jì)算當(dāng)電路的工作電壓超過(guò)超電容的工作電壓時(shí)，可以用相同的電容器串聯(lián)一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。 使用注意事項(xiàng)1、超級(jí)電容器具有固定的極性。在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。 2、超級(jí)電容器應(yīng)在標(biāo)稱(chēng)電壓下使用

39、： 當(dāng)電容器電壓超過(guò)標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。 3、超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。 4、超級(jí)電容器的壽命： 外界環(huán)境溫度對(duì)于超級(jí)電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。 5、當(dāng)超級(jí)電容器被用做后備電源時(shí)的電壓降： 由于超級(jí)電容器具有內(nèi)阻較大的特點(diǎn)，在放電的瞬間存在電壓降，V=IR。 不同領(lǐng)域的運(yùn)用6、使用中環(huán)境氣體： 超級(jí)電容器不可處于相對(duì)濕度大于85%或含有有毒氣體的場(chǎng)所，這些環(huán)境下會(huì)

40、導(dǎo)致引線(xiàn)及電容器殼體腐蝕，導(dǎo)致斷路。 7、超級(jí)電容器的存放： 超級(jí)電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30+50、相對(duì)濕度小于60%的環(huán)境下儲(chǔ)存，避免溫度驟升驟降，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。 8、超級(jí)電容器在雙面線(xiàn)路板上的使用： 當(dāng)超級(jí)電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過(guò)電容器可觸及的地方，由于超級(jí)電容器的安裝方式，會(huì)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。 9、當(dāng)把電容器焊接在線(xiàn)路板上時(shí)，不可將電容器殼體接觸到線(xiàn)路板上，不然焊接物會(huì)滲入至電容器穿線(xiàn)孔內(nèi)，對(duì)電容器性能產(chǎn)生影響。 10、安裝超級(jí)電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器，這樣會(huì)導(dǎo)致電容器引線(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致性能劣化。 11、在焊接過(guò)程中避免使電容器過(guò)熱

41、： 若在焊接中使電容器出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，會(huì)降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線(xiàn)路板，焊接過(guò)程應(yīng)為260，時(shí)間不超過(guò)5s。 12、焊接后的清洗： 在電容器經(jīng)過(guò)焊接后，線(xiàn)路板及電容器需要經(jīng)過(guò)清洗，因?yàn)槟承╇s質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致電容器短路。 13、將電容器串聯(lián)使用時(shí)： 當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題，單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，需得到廠(chǎng)家的技術(shù)支持。 14、其他： 在使用超級(jí)電容器的過(guò)程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問(wèn)題，請(qǐng)向生產(chǎn)廠(chǎng)家咨詢(xún)或參照超級(jí)電容器使用說(shuō)明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行 超級(jí)電容是最近幾年

42、才批量生產(chǎn)的一種無(wú)源器件，它介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速放點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，也有電池的儲(chǔ)能特性?？芍貜?fù)使用、壽命長(zhǎng)。放電時(shí)導(dǎo)體間電子移動(dòng)，而不依靠化學(xué)反應(yīng)，可以為設(shè)備提供電源。超級(jí)電容器/法拉電容/超級(jí)電容器的應(yīng)用方案之一 本方案適用于在用電容儲(chǔ)能（或已更換蓄電池組）式硅整流分合閘裝置。在原電路上改造的電路原理如圖一所示：其中圖中虛線(xiàn)框內(nèi)所包含的線(xiàn)路圖右上角打叉的為改造要去掉的電解電容器組或蓄電池組。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)所包含的線(xiàn)路圖右上角打勾為為需加入的超級(jí)電容器及電路，每只超級(jí)電容器參數(shù)為0.85F/280V，（85萬(wàn)微法）兩只超級(jí)電容器采用同時(shí)工作，互為熱備的工作方式。R1R2為充電限流電阻，根據(jù)所需充電速度的大小可選擇500W或1000W鹵鎢燈（或100W200W白熾燈）其冷態(tài)電阻較熱態(tài)電阻小56倍，比較適合電容器電壓建立后宜減小限流電阻的要求。這一方案的優(yōu)勢(shì)為： 1. 在保留了原設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)量小的特點(diǎn)的同時(shí)，保證了分閘能量供應(yīng)的絕對(duì)可靠，這是因?yàn)槌?jí)電容器的儲(chǔ)能較原電解電容器組大了幾百倍，在停電后可保證數(shù)百次的分閘，安全余量非常大。 2. 極小的漏電使其荷電保持能力非常強(qiáng)，停電數(shù)天后應(yīng)有上百次的分閘能力。 3. 一