文档介绍：替代蓄电池的超级电容储能模块设计- 电动汽车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 ) =1m Ω)。为了构成替代 12V 蓄电池的超级电容模块,我们采用 8 个 2400F/ 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