李應(yīng)生，孔銀昌

（黃淮學(xué)院電子信息工程系，河南馬店463000）

摘要：現(xiàn)用蓄電裝置所暴露的問題越來越突出，其中最大的問題是壽命短和重金屬污染物的回收處理問題。超級(jí)電容器具有充電速度快，循環(huán)壽命長，無污染等優(yōu)點(diǎn)，由于超級(jí)電容的單體電壓較低，不能滿足應(yīng)用工況的電壓需求范圍，為此需要將多個(gè)單體串聯(lián)起來。但是由于單體超級(jí)電容之間的差異，

使得電壓不能均衡地分配給每個(gè)單體超級(jí)電容，這將使超級(jí)電容儲(chǔ)能量明顯下降并加速容量相對小的超級(jí)電容性能變壞。為了解決上述問題，用與超級(jí)電容同設(shè)計(jì)的電壓均衡電路相連后封裝，構(gòu)成超級(jí)電容模塊，由封裝成的多個(gè)超級(jí)電容模塊和單片機(jī)及有關(guān)電路構(gòu)成超級(jí)電容蓄電裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超級(jí)電容蓄電裝置儲(chǔ)能效果良好。超級(jí)電容蓄電裝置的研究推廣應(yīng)用前景廣闊。隨著人們對儲(chǔ)能產(chǎn)品的性能需求和對環(huán)境保護(hù)要求的迅速提高，現(xiàn)用蓄電裝置所暴露的問題越來越突出。其中最大的問題是壽命短、容量小和重金屬污染物的回收處理問題。因此，研制一種壽命長、容量大、體積小、性能優(yōu)良,并不會(huì)造成環(huán)境污染,易于回收利用的綠色環(huán)保型超級(jí)電容蓄電裝置是一種迫切需要。

與常規(guī)電池相比較超級(jí)電容蓄電裝置的優(yōu)越綜合性能主要表現(xiàn)為：充放電速度快，如用超級(jí)電容蓄電裝置制造電動(dòng)機(jī)車，對電動(dòng)機(jī)車充電會(huì)同給燃油汽車加油一樣快捷方便；超級(jí)電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)很小，可以提供非常大的電流；具有非常高的比功率，超級(jí)電容的比功率是鉛酸電池比功率的10倍；使用溫度范圍寬，超級(jí)電容蓄電裝置可以正常工作的溫度范圍在－40～75℃之間；充放電壽命很長，可高達(dá)數(shù)十萬次，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次；超級(jí)電容是在高度多孔狀電極與束縛態(tài)電解質(zhì)的接觸表面所特定的雙電層上實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的，為物理電源。使用超級(jí)電容器比使用化學(xué)電池的總體成本要低。超級(jí)電容與蓄電池相比代表了能量存儲(chǔ)領(lǐng)域的新方向。目前超級(jí)電容儲(chǔ)能在電梯、電力機(jī)車啟動(dòng)等場合及制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。隨著超級(jí)電容性能的提升，在新能源利用以及其他一些領(lǐng)域中會(huì)部分取代傳統(tǒng)蓄電池。蓄電裝置的研究與發(fā)展，將會(huì)迎來電動(dòng)機(jī)車取代燃油汽車的新的變革時(shí)代。

由于超級(jí)電容的單體電壓較低，不能滿足應(yīng)用工況的電壓需求范圍，為此需要將多個(gè)單體串聯(lián)起來。然而在超級(jí)電容組件的設(shè)計(jì)中，由于各個(gè)單體電容性能存在一定的分散性，這使得總電壓不能均衡地分配給每個(gè)單體電容。由于單體容量的差異，在使用中超級(jí)電容器經(jīng)過多個(gè)循環(huán)的深度充放電，單體電容之間的性能差異將變大，這將使容量相對小的電容性能變壞，從而加速老化，壽命縮短，阻抗的增加將使整個(gè)電容組的特性變差，縮短整體壽命。因此，設(shè)計(jì)者必須保證組件總的工作電壓在分配給單體電容時(shí)不會(huì)使其過壓，并使各單體電壓的分散性趨于最小化，使儲(chǔ)能趨于最大化。

為了解決上述問題，我們在廣泛征集用戶意見和建議的基礎(chǔ)上，綜合國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，特提出超級(jí)電容蓄電裝置研制項(xiàng)目。

1項(xiàng)目研究開發(fā)內(nèi)容及目標(biāo)

本項(xiàng)目選用SU2400P-0027V-1RA型超級(jí)電容，該型號(hào)電容具有較高的比功率、比能量和較低的等效串聯(lián)電阻。首先將性能接近的8只2400F/2.7V超級(jí)電容器兩兩并聯(lián)后串聯(lián)，同設(shè)計(jì)的電壓均衡電路相連后封裝，構(gòu)成超級(jí)電容模塊，使電容模塊內(nèi)各單體電容電壓控制在額定值，避免了過壓對電容的損壞。由封裝成的10個(gè)超級(jí)電容模塊和單片機(jī)及有關(guān)電路構(gòu)成基于超級(jí)電容器的蓄電裝置。超級(jí)電容蓄電裝置的功能包括：10個(gè)電容模塊電壓、總電壓、充放電電流和電容箱內(nèi)溫度的檢測與監(jiān)視，以及電容模塊在充放電過程中的在線電壓均衡。

超級(jí)電容蓄電裝置中10個(gè)超級(jí)電容模塊間的在線電壓均衡采用飛渡電容法均衡，飛渡電容均衡法電路結(jié)構(gòu)簡單，通過均衡電容可以實(shí)現(xiàn)能量在超級(jí)電容蓄電裝置中任意兩個(gè)電容模塊之間的直接轉(zhuǎn)移，沒有重復(fù)無效的能量流動(dòng)。將均衡電容器在串聯(lián)電容模塊中電壓最高的電容模塊和電壓最低的電容模塊之間進(jìn)行并聯(lián)切換，完成電荷由電壓最高的電容模塊到電壓最低的電容模塊的轉(zhuǎn)移，從而使電壓高的電容模塊的電壓下降，電壓低的電容模塊的電壓上升，達(dá)到均衡的目的。

超級(jí)電容蓄電裝置包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光電隔離電路、繼電器開關(guān)陣列、均衡控制數(shù)字量輸出和信息顯示觸摸屏等部分。

2項(xiàng)目研制過程

2.1超級(jí)電容模塊的電壓均衡解決方案

通過分析可知，超級(jí)電容器通過電壓均衡后其儲(chǔ)能比沒有均壓的情況下提高了37％。因此，必須采用電壓均衡的方法使每個(gè)單體超級(jí)電容均能達(dá)到額定電壓且不會(huì)產(chǎn)生過壓現(xiàn)象，這是將超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置必須解決的問題之一[1]。

本項(xiàng)目首先將性能接近的8只SU2400P-0027V-1RA型電容器兩兩并聯(lián)后串聯(lián)，同設(shè)計(jì)的電壓均衡電路相連后封裝，構(gòu)成超級(jí)電容模塊，使電容模塊內(nèi)各電容電壓控制在額定值，避免了過壓對電容的損壞。提高了超級(jí)電容模塊的儲(chǔ)能。超級(jí)電容模塊電壓均衡電路原理如圖1所示。其中C1、C2、C3、C4表示8只2400F/2.7V的超級(jí)電容器兩兩并聯(lián)后的電容，運(yùn)算放大器A1、A2同增強(qiáng)型MOS管T1、T2與運(yùn)算放大器A3、A4同MOS管T3、T4及有關(guān)電阻構(gòu)成兩個(gè)相同的超級(jí)電容模塊單元電壓均衡電路，運(yùn)算放大器A5、A6同N溝道增強(qiáng)型MOS管T5、T6及有關(guān)電阻構(gòu)成超級(jí)電容模塊單元之間的電壓均衡電路。

超級(jí)電容模塊由8只超級(jí)電容器兩兩并聯(lián)后串聯(lián)的方式構(gòu)成，其等效內(nèi)阻和等效電容為：ESRT(DC)=2mΩ，CT=1200F。

將超級(jí)電容模塊的容量與蓄電池的容量參數(shù)比較，由Q=C×U=I×t得到對應(yīng)于蓄電池安時(shí)數(shù)的超級(jí)電容模塊的容量為：

CT（4×2、7－Umin）/3600，其中Umin為電容模塊的最低工作電壓。

超級(jí)電容模塊單元之間的電壓均衡電路原理：超級(jí)電容器C1與C2串聯(lián)的后的總電壓通過R1與R2串聯(lián)和R3與R4串聯(lián)分壓后，R3與R4串聯(lián)分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A5的同相輸入端和運(yùn)算放大器A6的反相輸入端，超級(jí)電容器C3與C4串聯(lián)的后的總電壓通過R5與R6串聯(lián)和R7與R8串聯(lián)分壓后，R7與R8串聯(lián)分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A6的同相輸入端和運(yùn)算放大器A5的反相輸入端，當(dāng)R3與R4串聯(lián)的分壓值大于R7與R8串聯(lián)分壓值時(shí)運(yùn)算放大器A5輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管T5導(dǎo)通，其漏極電流隨A5的輸出電壓升高而增大。這樣使得充電電流經(jīng)過增強(qiáng)型MOS管T5流向C3與C4，減緩或阻止了C1與C2電容電壓的繼續(xù)升高。

運(yùn)算放大器A3、A4同MOS管T3、T4及有關(guān)電阻構(gòu)成的超級(jí)電容模塊單元電均衡電路原理：超級(jí)電容器C3的電壓通過R5與R6串聯(lián)分壓后，R6分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A3的同相輸入端和運(yùn)算放大器A4的反相輸入端，超級(jí)電容器C4的電壓通過R7與R8串聯(lián)分壓后，R8分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A4的同相輸入端和運(yùn)算放大器A3的反相輸入端，當(dāng)R8的分壓值大于R6的分壓值時(shí)運(yùn)算放大器A4輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管T4導(dǎo)通，其漏極電流隨A4的輸出電壓升高而增大。這樣使得充電電流經(jīng)過增強(qiáng)型MOS管T4漏源極流向C3，減緩或阻止了電容C4電壓的繼續(xù)升高。反之，當(dāng)R8的分壓值小于R6的分壓值時(shí)運(yùn)算放大器A3輸出高電位，MOS管T3導(dǎo)通，其漏極電流隨A3的輸出電壓升高而增大。這樣使得充電電流經(jīng)過增強(qiáng)型MOS管T3漏源極流向C4，減緩或阻止了電容C3電壓的繼續(xù)升高。運(yùn)算放大器A1、A2同增強(qiáng)型MOS管T1、T2與有關(guān)電阻構(gòu)成的超級(jí)電容模塊單元電壓均衡電路原理同上。

選取適當(dāng)參數(shù)，對超級(jí)電容模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，額定電壓均為2.7V，采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電方法，恒流充電電流為50A，恒流充電到2.5V時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電。其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示均壓效果良好，在整個(gè)充電時(shí)間內(nèi)電容的最大電壓偏差約為0.1V，均衡速度較快，可有效避免單體超級(jí)電容過壓情況發(fā)生，提高了電容組件的儲(chǔ)能水平。

2.2超級(jí)電容蓄電裝置的電壓均衡方案

用封裝成的10個(gè)超級(jí)電容模塊和單片機(jī)及有關(guān)電路構(gòu)成基于超級(jí)電容器的蓄電裝置[2-3]。10個(gè)超級(jí)電容模塊間的在線電壓均衡采用飛渡電容法均衡，蓄電裝置選定的均衡電容器的容量為單體電容模塊容量的3/4，其電壓等級(jí)與單體電容模塊相同。將均衡電容器在串聯(lián)電容模塊中電壓最高的電容模塊和電壓最低的電容模塊之間進(jìn)行并聯(lián)切換，從而使電壓高的電容模塊的電壓下降，電壓低的電容模塊的電壓上升，達(dá)到電壓均衡的目的。

飛渡電容法在線電壓均衡控制程序流程如圖2所示，g和d分別為蓄電裝置中當(dāng)前電壓最高的單體電容模塊C(g)和電壓最低的單體電容模塊C(d)的序號(hào)，u(g)為C(g)的電壓，u(d)為C(d)的電壓，u(p)為二者的均值；C(j)代表均衡電容器，u(j)為其電壓；Ton為C(j)與C(g)或C(d)并聯(lián)接通的時(shí)間，τ為接通時(shí)的充放電時(shí)間常數(shù)；Toff為C(j)與C(g)或C(d)接通后再斷開的時(shí)間，Tx為斷開時(shí)間門限。

當(dāng)電容組處于充放電狀態(tài)時(shí)，均衡控制程序首先找出蓄電裝置中電壓最高和最低的單體電容模塊的序號(hào)，并求出它們的電壓均值，然后將均衡電容器的電壓與該均值比較，當(dāng)均衡電容器的電壓小于或等于該均值時(shí)，則控制均衡電容器與電壓最高的單體電容模塊并聯(lián)，從電壓最高的單體電容模塊吸收電量。否則，控制均衡電容器與電壓最低的單體電容模塊并聯(lián)，向電壓最低的單體電容模塊充電；為了提高均衡速度，均衡電容器無論與電壓最高的還是與電壓最低的單體電容模塊并聯(lián)，都不是一直到二者電壓非常接近才斷開，而是周期性地通斷，接通時(shí)間大于或等于它們充/放電時(shí)間常數(shù)的三分之一就斷開，斷開的時(shí)間大于或等于設(shè)定的時(shí)間門限Tx(Tx根據(jù)蓄電裝置電容模塊電壓循環(huán)檢測周期而定)時(shí)，若二者電壓差大于設(shè)定的壓差門限ΔU，則均衡電容器再和剛剛與之?dāng)嚅_的單體電容模塊并聯(lián)，否則重新找出電容模塊中電壓最高和最低的單體電容模塊的序號(hào)，再按上述過程執(zhí)行。

3結(jié)論

本項(xiàng)目首先將性能接近的8只超級(jí)電容器兩兩并聯(lián)后串聯(lián)，同設(shè)計(jì)的電壓均衡電路相連后封裝，構(gòu)成超級(jí)電容模塊，使電容模塊內(nèi)各單體電容電壓控制在額定值，避免了過壓對電容的損壞。提高了超級(jí)電容模塊的儲(chǔ)能。由封裝成的10個(gè)超級(jí)電容模塊和單片機(jī)及有關(guān)電路構(gòu)成基于超級(jí)電容器的蓄電裝置。用單片機(jī)控制飛渡電容實(shí)現(xiàn)電容模塊間的在線電壓均衡，提高了蓄電裝置的充放電性能，進(jìn)而研制成基于超級(jí)電容器性能優(yōu)良的蓄電裝置[4-5]。

超級(jí)電容模塊便于批量生產(chǎn)，使用組合方便，為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)即插即用型的解決方案，適用于構(gòu)建不同電壓應(yīng)用下的蓄電裝置。超級(jí)電容蓄電裝置的研究推廣與發(fā)展,可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境預(yù)期效益。

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