超级电容器范文第1篇

【关键词】超级电容器；恒流充电

0.引论

超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等，尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。

1.等效串联电阻对充电过程影响分析

超级电容器单体的基本结构主要包括集电板、电极、电解质和隔离膜。其等效模型如图1所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。

图1 超级电容器的等效模型

限制超级电容器应用的主要因素是电容器的等效串联电阻ESR过大，限制了其大电流输出能力。双电层电容器ESR是反映其性能的一个重要指标。电容器的等效电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻的外在表现为：当电极充电到某一恒定电位足够长时间，电容开始放电时电极电位会有一个突降U。该现象影响超级电容器的有效储能量，并随充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。

由于超级电容器在恒电流充放电过程中，电流的大小或方向在充电过程结束和放电过程结束时发生改变，所以可以通过电流阶越方法测定电容器等效串联电阻。具体方法是精确记录改变电流大小及方向时电容器电压的改变，利用关系式ESR=U/I计算电容器的等效串联电阻。室温下，将额定容量为2700F的超级电容器单体的额定电压Umax=2.7V确定为工作电压上限，Umin=1.35V确定为工作电压下限，分别利用恒流I=20A，50A，100A对超级电容器进行充电测试。

图2 超级电容器恒流充电端电压变化

图2表示了充电过程中超级电容器电压的变化情况。超级电容器充电电压基本呈线性变化：在充电初始阶段，超级电容器电压上升很快，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快，在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动；充电电流越大，满充时间越短，验证了超级电容器大电流快速充电的特点。具体分析超级电容器端电压波动原因，端电压变化幅度ΔU（ΔU1

2.容量特性分析

根据电容原理有：

等效串联电阻部分引起的电压降：

变换可得所需超级电容器的容量C：

对于多孔碳材料做极化电极的超级电容器，其存储电荷的电容C与碳材料的表面性质紧密相关，其中多孔碳电极的比表面积和微观孔径尺寸分布是影响超级电容器双电层容量的重要因素。

试验中，分别利用电流为10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A对同一超级电容器进行恒流充电，并测量电容器的电容。

在动态工作情况下，用线性函数拟合来预测超级电容器在任意工作电流水平点对应的超级电容器静电容量C值。利用Matlab对获取的电容值进行3阶拟合，对应函数为f（x）=0.2x3-143.x2+2749.5。超级电容器的容量随充电电流的增加而下降。结合超级电容器的内部构成分析，超级电容器的转换效率和有效容量，受其有效内阻和充放电电流的影响，要使其贮能量最大化，就要使容量最大化，即要求电极表面积最大化和双电层厚度的最小化。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反应的比表面积和微孔传输反应粒子、离子电荷的速度，并因充电电流增大，碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量降低。

3.储能量变化分析：

若采用恒流充电，电容C不随超级电容器的端电压变化，则任意t时刻的储能量可表示为：

式中：Qt—充电任意时刻的电荷量；Vt—恒流充电条件下任意时刻的电压值；V0—电容充电下限值；I—充电电流。

4.充电效率分析

超级电容器范文第2篇

【关键词】超级电容器；蓄电池；混合电源

1引言

随着科技的高速发展，各种数字移动设备、便携式电子仪器越来越多，随之而来的是对电源的性能提出了越来越高的要求，蓄电池由于具有技术成熟、性能可靠的特点被社会广泛应用，普遍看来这些电子设备的负载都具有脉动性的特点，峰值功率很高但平均功率较低。但由于蓄电池功率密度小、无法快速充放电且循环寿命短，因此蓄电池必须要有很大的容量才能够满足峰值功率的需求，这样就造成了蓄电池容量的浪费和造成电池体积过于庞大带来的诸多不便。

超级电容器是储能器件在功率与能量上的结合，具有功率高、循环寿命长、比能量高、充放电效率高等优点。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，无疑会使电能储能装置的性能得到大大提高。一些参考文献中指出，将超级电容器与蓄电池并联使用，可以使混合电源的负载适应能力尤其对大功率脉动的负载有较大的提高，一方面可以有效降低蓄电池的内部消耗、增加使用寿命，另一方面还可以减小电源的体积，改善了其经济性和可靠性。

本文通过建立超级电容器蓄电池混合电源的数学模型，分析了超级电容器对蓄电池峰值功率改善的作用及影响因素，并通过构建实验进行验证。

2 模型分析

超级电容器蓄电池混合电源是将超级电容器和蓄电池并联起来作为脉动负载的电源。研究者为了使分析过程简化，可以将蓄电池的模型简化为理想电压源与等效串联内阻的串联结构。由于该模型主要考虑的是系统的动态性能，所以可以不考虑并联内阻。在高频情况下由于存在分布电感，所以此模型的分析结果会产生一定的误差。但由于实际应用时超级电感器蓄电池混合电源的工作周期一般为毫秒至秒级，所以该模型是可行的。若将该模型进行拉氏变换，并利用戴维宁定理简化可得到另一种更加简单的等效电路。

3 内部损耗分析

超级电容器蓄电池混合电源应用于脉动负载时，负载电流的大部分由内阻很小的超级电容器支路承担，因此使得超级电容器与蓄电池混合电源中蓄电池的内部损耗降低了，蓄电池的发热量也大大减小，有效地延长了电池的使用寿命。

经过整合分析结果，得出第一、当负载占空比越小、周期越小时、功率节约因子越大，超级电容起蓄电池混合电源的内部消耗就越小；第二、超级电容器及蓄电池的等效串联内阻对功率节约因子的影响是：超级电容器的等效串联内阻越小，功率节约因子越大：蓄电池的等效内阻越大，功率节约因子越大，超级电容器蓄电池混合电源的内部消耗就越小。第三、功率节约因子与超级电容器的电容量及等效串联电阻的关系：当超级电容器的等效串联内阻越小时，电容量越大，功率节约因子越大，超级电容器蓄电池混合电源的内部损耗越小。当电容量达到一定值时，功率节约因子会随着电容量的变化趋于平稳。第四、功率节约因子与超级电容器并联支路数的关系：当并联支路数增加时，功率节约因子会随之增大，但是在并联支路数增大到一定程度时，功率比例因子的变化将趋于平稳。

4 运动时间分析

利用超级电容器蓄电池混合电源驱动脉动负载，由于蓄电池的内部损耗降低了，因此延长了蓄电池的运行时间。使得超级电容器蓄电池混合电源与蓄电池单独供电相比，节约了许多能量。并且混合电源与蓄电池单独应用相比，其运行时间得到了延长。时间延长率与三个因素有关，其中包括了功率节约因子，脉动负载占空比以及负载电流率。基于以上分析结果，研究人员对超级电容器蓄电池混合电源的运行时间进行了仿真。

整合分析后得出了超级电容起蓄电池混合电源的时间延长率与负载参数的的关系。第一、脉动负载的频率越高，时间延长率就越大。第二，时间延长率还与脉动负载的占空比有关，占空比过小或过大时，时间延长率变小，并趋于零。一般情况下，时间延长率的最大值应在占空比变化范围内，即在零至一的某个点变化，具体的要依附于频率和负载电流率来决定。第三、随着并联支路的增加，超级电容器蓄电池混合电源的时间延长率变大了，当并联支路增加到一定值时，时间延长率的变化又将趋于平稳。

实验结果表明，超级电容器蓄电池混合电源在驱动脉动负载时，大部分的负载电流有超级电容器的支路分担。由于超级电容器的功率密度大，电流输出能力强。使得混合电源的峰值输出功率明显比单独使用蓄电池有显著提高。当脉动负载停止工作后，蓄电池组继续输出电流，给超级电容器组充电。

由上述分析可知，超级电容起蓄电池混合电源不仅降低了蓄电池的输出电流峰值，而且抑制了端电压的跌落，其作用相当于使蓄电池的等效源阻抗降低了，提高了蓄电池的动态响应能力，是电源在驱动脉动负载使得内部损耗降低，放电效率得到提高，放电时间得以延长。

5 总结

本文建立了超级电容器蓄电池并联的数学模型，针对负载为脉动的情况对混合电源在峰值功率的提升等方面进行了分析，并对几种主要的结构进行分析和验证，得到了以下几点结论：第一、超级电容起蓄电池混合电源在工作时，超级电容器和蓄电池同时向负载提供电流，且负载电流主要由超级电容器提供。在负载停止工作期间，蓄电池对超级电容器充电。第二、超级电容起蓄电池混合电源的峰值输出功率与脉动负载的周期、占空比、蓄电池内阻、超级电容器内阻、超级电容器的容量和并联支路数有着密切的联系。第三、采用超级电容器可以补偿蓄电池的电流，使得本来应与负载电流相等的蓄电池输出电流得以下降，缓解了蓄电池输出电流过大的压力。第四、超级电容器蓄电池混合电源十分适宜用于功率很高但平均功率较低的脉动功率负载。

在实际应用中我们要有效的利用超级电容器蓄电池混合电源的优势，可通过功率变换器的并联结构使系统配置具有很大的灵活性，从而更好地有优化蓄电池的工作。并且由于功率增强能力与混合电源自身的参数和负载参数有关，所以在实际的应用中，要根据具体情况合理的配置超级电容器组的结构，在满足系统要求的情况下实现混合电源的经济性和实用性。

参考文献：

[1]张国驹，唐西胜，齐智平.平抑间歇式电源功率波动的混合储能系统设计[J].电力系统自动化，2011（20）.

超级电容器范文第3篇

【关键词】风力发电；仿真；超级电容器

前言

风轮机是风力发电系统中把风能转化为机械能的装置，功率调节是风轮机的关键技术之一。发电机是风力发电系统中能量转换的核心部分。风力发电机系统按发电机运行方式主要分为恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。

本文主要研究利用超级电容储能系统平抑由于风力的分散性和不确定性引起的功率波动。

图1 永磁直驱式风力发电系统示意图

1 风力发电系统的研究

风力发电系统包括风力发电机及与其配套的功率变换器。由于风力的不确定性和分散性，发出的电能是时刻波动的，不能直接并入电网。风力机发出的电能经过一系列变换之后才能并网。本文的采用的方案是先将风力机发出的电能经过整流器变为直流之后，在直流环节并联一个超级电容储能系统。其作用是当风力比较大、风力机端电压比较高时吸收电能，将多余的电能储存起来。当风力比较小时，它能放电，弥补机端电压过低。然后再经过一个逆变器将直流电转变为交流电，并入电网。

1.1 永磁同步电机

根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下永磁同步发电机的电压方程为：

=- - + （2-1）

=- - - - （2-2）

其中，和分别是定子电压和电流在 轴上的分量， 、 为定子的轴电感，在面装式永磁同步发电机 = ， 为转子角速度，为定子电阻。

转矩方程为

=p （2-3）

其中，p为转子极对数。

1.2 超级电容

超级电容作为储能元件，具有电容量大、功率密度大、充放电效率高、循环寿命长等特点：

从阻抗角度分析，等效电路为一般的RC电路。超级电容器的等效模型如图2所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。

2 仿真研究

2.1 仿真模型介绍

图2 系统仿真接线图

图2中风电机组通过全功率AC-DC-AC变换器与电网连接，其中电机侧变换器的作用是将风电机组输出电压整流，并实现发电机输出功率对风力机输入转矩的跟踪；电网侧变换器一方面要保持直流母线电压恒定，另一方面要维持变流器输出电流与电网电压同频同相。超级电容储能装置通过双向buck/boost变换器与全功率AC-DC-AC变换器的直流母线连接，通过对开关管S1和S2的控制，实现功率调节功能。为得出超级电容储能系统平滑输出功率波动的效果，单一变量为是否加入超级电容储能系统。

仿真条件：

（1）风速变化的设定： 0-1s时段，设定风速保持10m/s不变；在1s时，风速开始增加，到2s时风速达10.6m/s；随后风速开始下降，到3s时，下降到9.7m/s；然后，风速又开始回升，到3.5s时，恢复到初始风速10m/s，随后保持不变。

（2）风电机组额定输出功率为1MW。风速达到17 m/s时，风电机组输出功率达到额定值。直流母线电压为1000V。

2.2 风电系统输出功率波动分析

2.2.1 不加入超级电容储能系统

图3 风力发电机组输出功率变化曲线

图4 系统输入至电网的功率

在不加入超级电容储能系统的情况下，系统输至电网的有功功率即为风电机组输出的功率。

图3所示为风电机组输出功率随风速变化的曲线，图4为网侧变换器输至电网的功率变化曲线，可见系统输至电网的功率几乎等于风电机组发出的功率。风速为10m/s时，风电机组输出功率为200kW，风速增加到最大值10.6m/s时，输出功率达到240 kW，风速下降到最小值9.7时，输出功率为184 kW。

从波形图可知，当超级电容器不工作时，由于风速变化引起的风电机组输出功率和输出电流的变化会直接反应在输出到电网中的电流和功率，对电网造成较大的冲击，进而影响到电网的安全稳定运行。

2.2.2 加入超级电容储能系统

图5 注入超级电容器的功率

图6 注入电网的功率

在加入超级电容储能系统的情况下，风电机组输出的功率为超级电容器吸收的有功功率加上系统输至电网的有功功率。

Pge=Pgrid+Pc

图5所示为注入超级电容器的功率变化曲线。从图中可看出，超级电容器起到了抑制风电机组输入到电网中的功率发生较大波动的作用。

图6显示注入到电网中的有功功率变化明显较风电机组机端输出功率平滑。

3 结论

通过matlab/simulink平台上搭建配置超级电容储能方案的直驱永磁风电系统的仿真分析可知，在超级电容储能系统的作用下，虽然风力发电机组机端电流和功率发生了较大的波动，但输出到电网的电流和功率却趋于平稳。验证了超级电容器在风力发电系统中抑制功率突变的作用。

参考文献：

[1]岑海堂，薛正福.大型风电机组发展现状与关键技术[J].科技创新导报，2008（24）.

[2]李海东.超级电容器模块化技术的研究[D].北京：中国科学员研究生院（电工研究所），2006.

[3]蒋大鹏.分布式发电系统中并网逆变器的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[4]许海平.人功率双向DC―DC变换器拓扑结构及其分析理论研究，中国科学院博十学位论文，2005.

超级电容器范文第4篇

关键词：超级电容器，航空地面电源

 

1 引言

1.1简介

超级电容器是近十年来出现的最为与众不同的电容器。论文大全。超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象。

超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离、介质与电极表面积。为了得到如此大的电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积，为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极。双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2／g，因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。图1为超级电容器的结构示意图。就储能而言，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

1.2超级电容器的优缺点

1.2.1优点

（1）更长的循环寿命，能够循环百万次以上；

（2）低阻抗，和电池并联时能够增强负载电流；

（3）迅速充电，超级电容器能够在几秒钟内充满；

（4）简单的充电模式，无需检测是否充满，过充无危险；

（5）具有法拉级的超大电容量；

（6）脉冲功率比蓄电池的高近十倍；

（7）能在-40℃～60℃的环境温度中正常使用；

（8）无污染，真正免维护。超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池用的材料具有毒性；

（9）超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，采取均压措施后，还可以串联使用。

1.2.2缺点

（1）线性的放电曲线使其无法完全放电；

（2）低能量密度，一般只有一个化学电源能量密度的五分之一到十分之一；

（3）低电压，需要若干个连接后才能得到高电压，3个电容以上串联时需要平衡电压；

（4）高自放电，自放电率高过化学电源。

由此可知，超级电容器具有很好的性能，但是超级电容器目前还不能完全代替电池，因为超级电容器的应用特长是功率的输入/输出，而不是高能量。一种最佳的优化组合是将超级电容器与电池组合使用，因为电源车起动时电流很大，只用电池会大大降低电池寿命，如将超级电容器与电池组合使用，不仅可以减少起动电池的使用数量，而且还优化了输出能量，增加了电池使用寿命。依据这一思维，如能将这一最优组合方式用在航空地面电源起动系统中，那么航空地面电源性能将提升到一个新的水平。

2 航空地面直流电源的输出特性

2.1 422系列电源车的简介

422系列电源车不但在航空兵场站应用越来越多，而且已经被民航机场广泛采用。它较以往的电源车在技术性能和生产工艺上都有了较大的提高，体积小，重量轻，机动性能好。

422系列电源车采用了一组航空蓄电池GB，由两块182型电瓶经减格连接而成，端电压为26 V左右。它既是柴油机起动系统的工作电源，又是电源车的直流辅助电源。当接通蓄电池“输出”开关S4时，蓄电池输出控制接触器 KM1工作，将蓄电池GB与电源车供电电路接通。当输出28.5/57V电源和“0—70 V”电源时必须合上S4。

负载特性：突然加载，由0突加到800A×2，瞬时电压不低于25.5V，3s内稳定到27.5~28.5V；突然卸载，由800A ×2突减到0，瞬时电压不高于32 V，3s内稳定到28.5~29.5 V；超载，1200A×2，电压不低于25V。

2.2 422系列电源车的缺陷以及改进设想

422系列电源车起动采用起动电动机起动方式。在起动过程中特别是在起动瞬间，由于起动电动机转速为零，不产生感生电势，故起动电流为：

其中：为蓄电池空载端电压，为起动电动机的电枢电阻、为蓄电池内阻、为线路电阻。由于、、均很小，起动电流非常大。

例如用12V、45Ah的蓄电池起动安装1.9L柴油机的电源车，经过仿真可知，蓄电池的电压在起动瞬间由12.6V降到约3.6V！起动过程的蓄电池电压波形如图2；起动瞬时的电流达550A，约为蓄电池的12倍的放电率！起动过程的蓄电池电流波形如图3（图3中纵坐标为电流传感器两端的电压值，电流传感器的电流/电压变换比率为100A/V，即5.5V代表550A）。尽管车用蓄电池是起动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图2中可以看出，10倍以上高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。

在起动飞机的过程中，起动电流的突变更剧烈。在某型飞机的四级起动过程中，起动电流的变化会对蓄电池带来更严重的损坏。论文大全。起动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机起动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。因此，无论从改善电源车电气设备的电磁环境还是从改善电源车的起动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善电源车电源在起动过程的性能是必要的。

问题的解决可以采取加大蓄电池容量的方案，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题，可以用于提供飞机发动机瞬间所需的冲击大电流，提高起动性能，缩短起动时间，降低起动瞬间大电流对蓄电池造成的损害，延长蓄电池的使用寿命。而且超级电容器在以内燃机为动力的422系列直流电源车上的采用可以解决电源车起动飞机发动机瞬间功率不足的技术难题。同时，在起动瞬间超级电容器对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。

3 超级电容器在航空地面直流电源车中的应用

3.1电性能的改善

采用超级电容器与蓄电池并联时起动过程的电压波形如图4, 与图2相比采用超级电容器与蓄电池并联时起动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V；起动过程的平稳电压由7V提高到9.4V。

图4 采用超级电容器与蓄电池并联时起动过程的电压波形3.2 起动性能的改善

超级电容器与蓄电池并联应用可以提高电源车的起动性能，将超级电容器（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联起动安装1.9L柴油机的电源车，在10℃时平稳起动，尽管在这种情况下，当不连接超级电容器，蓄电池也可以起动，但采用超级电容器与蓄电池并联时起动电动机的速度和性能都非常的好。由于电源输出功率的提高，起动速度由仅用蓄电池时的起动速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高电源车冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在-20℃时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常起动或需多次起动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。

3.3 对蓄电池应用状态的改善

超级电容器与蓄电池并联时，由于超级电容器的等效串联电阻（ESR）远低于蓄电池的内阻，因此，在起动瞬间起动电流大部分由超级电容器提供，有效地降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升使起动过程的平稳电压得到提高。最主要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命，而且也可以消除频繁起动对蓄电池寿命的影响。

4 结论

以上是对超级电容器在航空地面电源上应用的可行性分析。超级电容器已经在国民经济各个部门有了广泛的应用，如配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电起动系统；用作高压开关设备的直流操作电源，用于铁路驼峰场道岔机后备电源；用于电传动装甲车辆的制动能量回收和起步加速电源以及军工车辆发动机的电起动装置；用于重要用户的不间断供电系统；用于风力及太阳能发电系统。论文大全。这些事实充分证明了超级电容器的良好性能。可以预见，随着超级电容器在航空地面电源上应用的不断深入，有可能缩短我军电源保障装备与航空主战装备的巨大差距，更好地保障航空主战装备。

参考文献

1 42Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. FrankLev. Tavrima Canada Ltd, April 12,2002

2GJB572-88,飞机地面电源供电特性及一般要求

3GJB1910-94, 飞机地面电源车通用规范

4 陈艾等.超大容量电化学离子电容器.电子科学技术评论，1999，（4）：34-36

超级电容器范文第5篇

关键词： 储能结构 超级电容器 多飞渡电容 均压PSIM

引言

在分析和对比大量储能数据之后，选择了具有独特优势的超级电容作为车载空气净化装置的储能结构。储能结构分为四部分，即检测模块、驱动模块、主电路和控制模块。储能结构的系统框图如图1所示。系统以PIC单片机为核心，通过协调各模块，可以实现超级电容组的电压均衡。

超级电容器具有超大容量，较高能量密度，较大的放电电流和长时间的循环使用寿命，因此具有很广泛的应用前景。由于超级电容器单体之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，当超级电容器串联的时候，超级电容单体之间会存在电压不均衡现象，超级电容组将处于不健康的状态。

超级电容的均压分为能量消耗型和非能量消耗型两种。能量消耗型均压通过电路中电阻等元器件消耗多余的能量来达到均压的效果。所以按其均压的性质可以分为：能量转移式和能量转换式。常见的几种消耗能量的均压电路有并联电阻法、稳压管法和开关电阻法。

由表1可知，在考虑到超级电容器数量，均压时转移电容的数量，电容的重量、电容的体积、均压控制系统的难易程度，以及均压的速度、均压的精度和均压的效率之后，决定采用改进的多飞渡电容法进行超级电容器储能均压电路设计与研究。

1.传统多飞渡电容法电压均衡原理

多飞渡电容均压的工作原理就是在n个超级电容之间放置n-1个飞渡电容，通过开关矩阵实现能量转移，达到均压的目的。多飞渡电容均压法的拓扑电路如图2所示。

飞渡电容均压法的等效电路图如图3所示，飞渡电容用等效模型电容C代替，假设C的初始电压比C的电压高，开关K闭合，C开始向C放电。

a.工作模式1（T≤t≤T；T为开关K闭合起始时刻，T为开关K断开且K闭合时刻）

设C的初始电压为U，工作t时间后C的电压为U（t），初始电压与t时刻的电压之间的关系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，时间很短的一段工作期间内，暂时将超级电容看成是一个电源，此时电路工作的等效电路图如图3所示。

i（t）=×e（1）

U（t）=U-（U-U）×e（2）

式（1）和式（2）为充电电流、电压与时间的关系式，其中τ=R×C，R是放电回路中等效串联电阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T时刻，开关K闭合，飞渡电容C向超级电容C放电，充电t时间后，C电压值用U表示。此时电路工作的等效电路图如图5所示。C放电时候的电流、电压与放电时间的关系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改进的多飞渡电容均压控制

为提高能量转移的效率，在原来的均压电路的基础上，对原有的多飞渡电容均压法进行了改进，改进后的拓扑结构图如图6所示。其工作原理与原先的多飞渡均压的工作原理类似。

3.飞渡电容仿真分析

利用PSIM软件对由3支超级电容器串联组成的储能模块进行充电过程的仿真分析。超级电容器以KAMCAP为研究对象，其容量为16F，额定电压为16V，最大充电电流11A，由于内阻与漏电流对电路的影响较小，此处可以忽略不计。

设定3支超级电容器C、C、C容量及初始电压分别为14.4F/0V，16F/0V，20.8F/0V。图7给出在恒定10A电流充电情况下，普通充电模式下，单体电压值、总电压值及充电电流与时间关系的曲线。从图7中可以明显看到分散性对3支超级电容器充电的影响，当C充满时，C、C并未达到额定值，若继续对电容充电，则C会过充，将严重影响其使用寿命，反之，则会影响整个系统能量的利用率。经过23.08s充电结束，各单体电压、总电压不再上升，恒流源停止充电，充电时长与理论计算值一致。

图8是均压充电模式下各单体电压值、总电压值、充电电流与时间的曲线。在充电33.35s之后，各个单体电压值达到一致，完成均压，过程并没过压。当C达到额定值，系统将其剔除停止充电，此时总电压下降，充电电流产生一定波动；当C达到额定值，系统也将其剔除，此时总电压继续下降，充电电流又产生一次波动；最终，C达到额定值，3支超级电容器都充满，系统停止工作，总电压将为0，实现均压。

图9是多飞渡电容电压均衡效果图。仿真参数设置如上，其超级电容器初始值同上。可见，改进后多飞度电容均压充电效率和利用率都得到提升。

将3支超级电容器，分别通过普通充电、改进前多飞渡电容法、改进后多飞渡电容法进行充电，对比仿真结果。普通充电所需时间最短，但其利用率较低。改进前多飞渡电容法，利用多个飞渡电容，通过控制开关管的反复通断，从而实现相邻单体间能量转移，以达到均压的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺点。通过图8和图9的对比，可以看出改进后的多飞度电容均压法更能有效地提高利用效率。

结语

由于单个的超级电容之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，在给电容器充电的过程中，电压不均衡将影响超级电容的使用寿命和储能效率。通过对比分析各种超级电容均压方法，确定了多飞渡电容均压方案，在分析其工作原理的基础上，提出了改进方案，有效提高了均压的效率和均压误差。最后通过PSIM仿真软件验证，仿真结果表明了所提方案的有效性。

参考文献：

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