超级电容器应用介绍
山西电子技术2012年第2期
文章编号:1674-4578(2012)02-0038-02
应用实践
超级电容器应用介绍
刘革菊,
董立新
(国营第785厂,山西太原030024)
摘要:通过对超级电容器的基本原理、特点和主要性能指标的介绍,分析了超级电容器的工作原理和超级电
容器模组的设计原理,通过实例阐述了超级电容器在高功率脉冲和瞬时功率保持两方面的应用。
关键词:超级电容器;原理;特性;应用中图分类号:TM53文献标识码:A1954年,Becker首先提出了关于双电层超级电容器的
专利,之后超级电容器步入商业化阶段,在数字电路和大功率应用中迅速扩大。2000年以后,随着超级电容器的制造技术日益完善,材料研究不断取得进展,超级电容器的应用得到快速的发展,成为新能源领域的重要技术发展方向。
电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达
1680A;
(4)迅速充电:超级电容器可以在数十秒到数分钟内快速充电;
(5)工作温度范围宽:可在-40℃~+70℃正常工作;(6)无污染,真正免维护;(7)在额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出;
(8)荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数。1.3
超级电容器的主要性能指标
内阻、漏电流、高低温特性、循环主要性能指标有:容量、
寿命、能量密度、功率密度等。
(1)容量:电容器存储的容量,单位为F。
(2)内阻:分为直流内阻和交流内阻,单位为mΩ。(3)漏电流:恒定电压下一定时间后测得的电流,单位为mA。
(4)能量密度:是指单位重量或单位体积的电容器所给出的能量,单位为Wh/kg或Wh/L。(5)功率密度:单位重量或单位体积的超级电容器所给出的功率,表征超级电容器所承受电流的大小,单位为W/kg
图1
超级电容器基本原理和微观结构图
1
1.1
超级电容器的基本原理、特点和主要性能指标
超级电容器原理
根据经典的平板电容理论,超级电容器容量计算公式
如下:
C=εrA/d.A为表面积;d为电介质的厚度;εr为介质常数。式中,
超级电容器又叫双电层电容器。其基本原理和微观结构分别如图1所示
:
由图1可知超级电容器的结构特点:(1)超级电容器采用双层结构形式,而传统电容器为单层结构,加大表面积(A);
(2)超级电容器采用多孔碳材料,其面积可达到2000m/g以上,实现了更大的表面积(A);
(3)超级电容器电荷分离开的距离d<10,比传统电容器薄膜材料的距离更小。1.2
超级电容器工作特性
超级电容器的特点和优点体现在以下几个方面:
(1)具有法拉级的超大电容量:目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F;
(2)充放电寿命长:超级电容器循环寿命可达1000000次;
(3)低阻抗,可提供很高的放电电流:如2700F的超级
2
或W/L。
(6)循环寿命:超级电容器经历一次充电和放电,称为一次循环。可超过一百万次。
2
2.1
超级电容器模组设计原理
超级电容的选择标准
超级电容的选型和数量配置需要根据不同的应用来判断,选择要素包括最大和最小工作电压、平均电流、平均功率、峰值电流、峰值功率、工作环境温度、运行时间、寿命等。当电路的工作电压超过超级电容的工作电压时,可以用相同的电容器串联。
最大工作电压为Vmax(单位为伏特),而单只超级电容的额定电压为VR(单位为伏特),则需要串联的超级电容的数量的计算公式为:
n串联=Vmax/VR.
平均电流为i(单位为安培)、运行时间为t(单位为秒)、
收稿日期:2012-02-24
作者简介:刘革菊(1969-),女,山西夏县人,工程师,硕士,主要从事工业自动化控制方面的研究与应用。
董立新(1964-),男,山西交城人,工程师,本科,主要从事工业自动化控制方面的研究与应用。
第2期刘革菊,等:超级电容器应用介绍39
最小工作电压为Vmin(单位为伏特),通过下面的公式,可计
算出系统所需要的电容容值的近似值。
C=it/(Vwork-Vmin).系统电容值与串并联的电容之间的关系用下面的公式表示:
C=C单只·n并联/串联.
图2为超级电容器模组爆炸图。2.2
超级电容器模组设计原理
超级电容器由于自身的容量、内阻和漏电流在生产过程中或多或少存在着一定的差异,在由超级电容器单体通过串并联的方式组合成超级电容器模组时,所进行的系统集成化工作需通过超级电容器管理系统(UMS)来实现对超级电容器模组的整体控制。
超级电容模组采用主动均压的方式,即电压阈值均衡原理图见图3。其原理为:超级电容器模组ANODE与方法,
NAGATIVE两端电压通过R130和R134分压后送入U1的输入
U1动作端进行检测,当超级电容器模组R134分压超过阈值,
驱动MOS管Q1动作,电流流过R131与Q1实现电压均衡。
这种方法优点是:过压或电压达到设定阈值开启旁路,通过R131对电压高的单体进行放电均衡,电流消耗较小,通过MOS管的选用,可实现较大电流的均衡
。
图2
超级电容器模组爆炸示意图
图3均压原理图
3超级电容工作原理
超级电容器的两个主要应用:高功率脉冲应用和瞬时功
率保持。
高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流,工作原理见图4
。
图4超级电容提供功率脉冲示意图
瞬时功率保持应用的特征:要求持续向负载提供功率,
[2]
持续时间一般为几秒或几分钟,工作原理见图5。
图5超级电容用作瞬时峰值功率电源的工作模式
4
4.1
超级电容器应用
高功率脉冲应用
设计分析:假定脉冲期间超级电容是唯一的能量提供
者,总的压降由两部分组成:超级电容器内阻引起的瞬时电
压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下:
Udrop=I(R+t/C).
上式表明:要得到小的Udrop,电容器必须有低的内阻R和高的容量C。
以电容器2.5V1.5F为例,其标称内阻R=0.075Ohms,额定容量C=1.5F。
t/C=0.001/1.5=0.00067Ohms如果脉冲t=0.001s,
0.075Ohms;
t/C=0.01/1.5=0.0067Ohms如果脉冲t=0.01s,
0.075Ohms。
显然R(0.075Ohms)决定了上式的Udrop输出。
R的值比C更重要。对于多数脉冲功率应用,
实例:
无线调制解调器需要间隔4.6ms输出2A电流0.6ms持续时间的脉冲。功率放大器要求最小电压为3.0V,最大工作电压为3.6V,允许的压降是0.6V。
ACESR=0.200Ohms,DC选择超级电容器(C=1.5F,
ESR=0.250Ohms)。对于2A脉冲,电池提供大约1A,超级电容提供剩余的1A。
根据上面的公式,由内阻引起的压降:1A×0.25Ohms=0.25V;
由电容C引起的压降:I(t/C)=1×(0.6/1000×1.5)=0.04V
0.04V<0.25V
因此在脉冲功率应用要选择合适的超级电容器内阻。
(下转第72页)
72山西电子
[5]
技术2012年
[4]薛宏全,廖建明.MC68VZ328的智能家庭网关的解决
J].应用天地,2004(4):59.方案[RoseB.HomeNetworks:AStandardsPerspective[J].
CommunicationsMagazine,IEEE,2001,39(12):78-85.
ResearchandApplicationofInternetTechnologyfor
IntelligentHomeAppliances
LiuJia
(DepartmentofElectronicInformationEngineering,ShanxiPolytechnicCollege,TaiyuanShanxi030006,China)
Abstract:Accordingtothedevelopmentofintelligenthomeapplianceandrealizationneeds,thearticleanalyzesthemeaningofconnectionwithnetworkandhomeapplianceandrelatedtechnologybase;putsforwardthefunctionrequirementofembeddedresiden-tialgateway;introducestheinterconnectionsystemstructureofhomeappliancenetworkbasedonembeddedgatewayoffamily,thenthehomeappliancenetworkcommunicationcontrolprocessisdiscussedinthispaper.
Keywords:smartappliances;homeappliancenetwork;embeddedhomegateway
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
(上接第39页)4.2
瞬时功率保持应用
而瞬高功率脉冲应用是利用超级电容较小的内阻(R),时功率保持是利用超级电容大的静电容量(C)。下面是瞬时功率保持应用的计算公式和应用实例:
C(F):超级电容的标称容量;R(Ohms):超级电容的标称内阻;ESR(Ohms):1kZ下等效串联电阻;Uwork(V):在电路中正常工作电压;Umin(V):最小工作电压;t(s):要求保持时间;Udrop(V):总的电压降;I(A):负载电流;
根据:保持所需能量=超级电容减少能量,可以得到超级电容器容量的近似计算公式。
保持所需能量=1/2I(Uwork+Umin)t;
22
超级电容减少能量=1/2C(Uwork-Umin),
标准模组4组串联。
根据设计输入要求,则需要超级电容器放电总能量:
E需求=P×t=8kW×4=32kJ.
超级电容器模组预设为90V/9.6F模块串联4组,组成360V/2.4F模组,最高内阻<400mΩ。则在最高电压时,工作电流为I=8kW/360V=22.2A.
因内阻造成的电压降U内阻=I×r=22.2A×400mΩ=8.9V.
最大电流出现在工作电压=310V,最大电流为I=8kW/310V=25.8A.
则超级电容模组工作到310V时,最多可释放能量为:E释放=1/2×C×(U初始2-U最低2)=
(360-8.9)2-3102]=1/2×2.4×[32.6kJ>32kJ=E需求.
此释放功率和能量为90V/9.6F标准模组可承受范围内。
因此,系统可设计为由90V/9.6F标准模组经过4组串联的方式组合成360V/2.4F超级电容储能系统。
因而,可得其容量(忽略由IR引起的压降)C=(Uwork+Umin)It/(Uwork2-Umin2)实例:
在某随动系统中,系统由220V交流母线、超级电容充器(功率1000W)、超级电容模组、伺服控制器和伺服电机组成。由220V交流母线通过超级电容充器给超级电容模组充电,当超级电容模组充电至额定工作电压360V后,转为恒压充电模式,保持超级电容模组的工作电压;当伺服电机需要启动时,由超级电容模组放电驱动伺服控制器,由伺服控制器驱动伺服电机完成工作。电机峰值功率为8kW,持续工作4s。
针对设计输入中提到的360V工作电压,可用90V/9.6F
5结论
超级电容器已应用于计算机电子、消费电子、工业电子、
汽车电子、新能源和军事领域,相信随着碳材料的进步,制备技术的完善,能量密度的提升,体积的缩小,价格的降低,超级电容器将会得到越来越广泛的应用。
参考文献
[1]马奎安,陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计
[J].机电工程,2010(7):85-88.
TheApplicationandIntroductionofSuperCapacitors
LiuGe-ju,DongLi-xin
(State-owned785Plant,TaiyuanShanxi030024,China)
Abstract:Thispaperintroducesthebasicprinciple,characteristicsandmainperformanceindicatorsofsupercapacitor,analyzestheworkingprincipleofthesupercapacitoranddesignprinciplesofthesupercapacitormodule.Italsoexpoundstheapplicationofthemaintainingfunctionofsupercapacitorintwoaspectsofhighpowerpulseandinstantaneouspower.
Keywords:supercapacitor;principle;performance;application