超級(jí)電容充放電控制電路畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-08-10 14:54 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能量饋贈(zèng)回送電容器組或組中某些電壓較低的單體，從而在不消耗能量的前提下實(shí)現(xiàn)了電壓的動(dòng)態(tài)平衡。由于不消耗能量，此種方法不存在發(fā)熱的問題，且均衡速度快、均衡效率高，但同樣具有電路控制復(fù)雜、成本較高等因素限制。 超級(jí)電容器充放電特性分析 電壓特性分析超級(jí)電容使用壽命長(zhǎng)，理論上可以無限次充放電，其存儲(chǔ)的電荷和能量可以通過檢測(cè)電壓值的方式近似確定，判斷超級(jí)電容是否充滿非常方便，所以超級(jí)電容器的充電控制可借鑒傳統(tǒng)蓄電池的充電方式，也可通過大脈沖電流對(duì)其進(jìn)行快速充電，目前對(duì)超級(jí)電容最常用的充放電方式為恒流充電。 超級(jí)電容器恒流充電特性分析 等效電路模型超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理基于多孔材料“電極/溶液”界面的雙電層結(jié)構(gòu)，從阻抗角度分析，等效電路為一般的RC電路。超級(jí)電容器的等效模型如圖22所示。其中，EPR為等效并聯(lián)內(nèi)阻，ESR為等效串聯(lián)內(nèi)阻，C為等效容抗，L為電容感抗。EPR主要影響超級(jí)電容器的漏電流，從而影響電容的長(zhǎng)期儲(chǔ)能性能，EPR通常很大，可以達(dá)到幾萬歐姆，所以漏電流很小。L代表電容器的感性成分，它是與工作頻率有關(guān)的分量。圖22 超級(jí)電容器的等效模型 等效串聯(lián)電阻對(duì)充電過程影響分析限制超級(jí)電容器應(yīng)用的主要因素是電容器的等效串聯(lián)電阻ESR過大，限制了其大電流輸出能力。雙電層電容器ESR是反映其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。電容器的等效電阻主要由電極物質(zhì)內(nèi)阻、溶液內(nèi)阻、接觸電阻等構(gòu)成。等效串聯(lián)電阻的外在表現(xiàn)為：當(dāng)電極充電到某一恒定電位足夠長(zhǎng)時(shí)間，電容開始放電時(shí)電極電位會(huì)有一個(gè)突降U。該現(xiàn)象影響超級(jí)電容器的有效儲(chǔ)能量，并隨充電電流的增加，端電壓的突變幅度增加，有效儲(chǔ)能量降低。由于超級(jí)電容器在恒電流充放電過程中，電流的大小或方向在充電過程結(jié)束和放電過程結(jié)束時(shí)發(fā)生改變，所以可以通過電流階越方法測(cè)定電容器等效串聯(lián)電阻。具體方法是精確記錄改變電流大小及方向時(shí)電容器電壓的改變，利用關(guān)系式ESR=U/I計(jì)算電容器的等效串聯(lián)電阻。室溫下，將額定容量為2700F的超級(jí)電容器單體的額定電壓Umax=，Umin=，分別利用恒流I=20A，50A，100A對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電測(cè)試。圖23表示了充電過程中超級(jí)電容器電壓的變化情況。超級(jí)電容器充電電壓基本呈線性變化：在充電初始階段，超級(jí)電容器電壓上升很快，中間變化相對(duì)平緩，之后上升幅度再次加快，在充電初始和充電末階段有明顯的電壓波動(dòng)；充電電流越大，滿充時(shí)間越短，驗(yàn)證了超級(jí)電容器大電流快速充電的特點(diǎn)。具體分析超級(jí)電容器端電壓波動(dòng)原因，端電壓變化幅度ΔU(ΔU1ΔU2ΔU3)主要受充電電流和等效串聯(lián)電阻的影響，這兩個(gè)因素的作用使超級(jí)電容器的有效儲(chǔ)能量發(fā)生變化，且隨著充電電流的增加，電容器有效端電壓范圍縮短，導(dǎo)致有效儲(chǔ)能量降低。圖23 超級(jí)電容器恒流充電端電壓變化 容量特性分析根據(jù)電容原理有 (24)式中：I—電流；C—電容；dVc—因電容放電引起的電壓變化量；dt—放電時(shí)間變化量。dVc=Idt/C （25）等效串聯(lián)電阻部分引起的電壓降：= (26)超級(jí)電容器端電壓總變化dV為： (27)變換可得所需超級(jí)電容器的容量C： (28)對(duì)于多孔碳材料做極化電極的超級(jí)電容器，其存儲(chǔ)電荷的電容C與碳材料的表面性質(zhì)緊密相關(guān)，其中多孔碳電極的比表面積和微觀孔徑尺寸分布是影響超級(jí)電容器雙電層容量的重要因素。試驗(yàn)中，分別利用電流為10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A對(duì)同一超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電，并測(cè)量電容器的電容，結(jié)果如圖24所示。圖24 超級(jí)電容器恒流充電容量變化在動(dòng)態(tài)工作情況下，用線性函數(shù)擬合來預(yù)測(cè)超級(jí)電容器在任意工作電流水平點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容器靜電容量C值。利用Matlab對(duì)獲取的電容值進(jìn)行3階擬合，對(duì)應(yīng)函數(shù)為f(x)=+。如圖24所示，超級(jí)電容器的容量隨充電電流的增加而下降。結(jié)合超級(jí)電容器的內(nèi)部構(gòu)成分析，超級(jí)電容器的轉(zhuǎn)換效率和有效容量，受其有效內(nèi)阻和充放電電流的影響，要使其貯能量最大化，就要使容量最大化，即要求電極表面積最大化和雙電層厚度的最小化。在充電過程中，充電電流密度影響著電極極化反應(yīng)的比表面積和微孔傳輸反應(yīng)粒子、離子電荷的速度，并因充電電流增大，碳電極的有效反應(yīng)表面和微孔利用率減小而導(dǎo)致容量降低。超級(jí)電容器的放電過程是充電的逆過程，其放電特性和傳統(tǒng)電容器輸出特性相似，當(dāng)外接負(fù)載時(shí)，電壓的變化是呈指數(shù)下降的。由于負(fù)載等效電阻通常小于超級(jí)電容器內(nèi)部并聯(lián)等效電阻REP，所以在分析超級(jí)電容器放電過程時(shí)可以忽略REP的作用，將其等效為理想電容器cf和串聯(lián)等效阻抗Res串聯(lián)的電路模型。圖25 超級(jí)電容器放電電路等效模型放電過
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