超級電容充放電控制電路畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)
2025-08-10 14:54 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 能量饋贈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現(xiàn)了電壓的動態(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。 超級電容器充放電特性分析 電壓特性分析超級電容使用壽命長，理論上可以無限次充放電，其存儲的電荷和能量可以通過檢測電壓值的方式近似確定，判斷超級電容是否充滿非常方便，所以超級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其進行快速充電，目前對超級電容最常用的充放電方式為恒流充電。 超級電容器恒流充電特性分析 等效電路模型超級電容的儲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主要影響超級電容器的漏電流，從而影響電容的長期儲能性能，EPR通常很大，可以達到幾萬歐姆，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 超級電容器的等效模型 等效串聯(lián)電阻對充電過程影響分析限制超級電容器應(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時間，電容開始放電時電極電位會有一個突降U。該現(xiàn)象影響超級電容器的有效儲能量，并隨充電電流的增加，端電壓的突變幅度增加，有效儲能量降低。由于超級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)束時發(fā)生改變，所以可以通過電流階越方法測定電容器等效串聯(lián)電阻。具體方法是精確記錄改變電流大小及方向時電容器電壓的改變，利用關(guān)系式ESR=U/I計算電容器的等效串聯(lián)電阻。室溫下，將額定容量為2700F的超級電容器單體的額定電壓Umax=，Umin=，分別利用恒流I=20A，50A，100A對超級電容器進行充電測試。圖23表示了充電過程中超級電容器電壓的變化情況。超級電容器充電電壓基本呈線性變化：在充電初始階段，超級電容器電壓上升很快，中間變化相對平緩，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；充電電流越大，滿充時間越短，驗證了超級電容器大電流快速充電的特點。具體分析超級電容器端電壓波動原因，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，這兩個因素的作用使超級電容器的有效儲能量發(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)致有效儲能量降低。圖23 超級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)超級電容器端電壓總變化dV為： (27)變換可得所需超級電容器的容量C： (28)對于多孔碳材料做極化電極的超級電容器，其存儲電荷的電容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電容器雙電層容量的重要因素。試驗中，分別利用電流為10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A對同一超級電容器進行恒流充電，并測量電容器的電容，結(jié)果如圖24所示。圖24 超級電容器恒流充電容量變化在動態(tài)工作情況下，用線性函數(shù)擬合來預(yù)測超級電容器在任意工作電流水平點對應(yīng)的超級電容器靜電容量C值。利用Matlab對獲取的電容值進行3階擬合，對應(yīng)函數(shù)為f(x)=+。如圖24所示，超級電容器的容量隨充電電流的增加而下降。結(jié)合超級電容器的內(nèi)部構(gòu)成分析，超級電容器的轉(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，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電容器內(nèi)部并聯(lián)等效電阻REP，所以在分析超級電容器放電過程時可以忽略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 超級電容器放電電路等效模型放電過
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