超级电容充放电控制电路毕业设计

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根据电容原理有

I?CdVcdt (2-4)

式中：I—电流；C—电容；dVc—因电容放电引起的电压变化量；dt—放电时间变化量。

dVc=Idt/C （2-5）

等效串联电阻部分引起的电压降：

V?RES?IgRES= (2-6)

超级电容器端电压总变化dV为：

dV?Idt?CIgRES (2-7)

变换可得所需超级电容器的容量C：

C?IgdtdV?IgRES (2-8)

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，结果如图2-4所示。

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图2-4 超级电容器恒流充电容量变化

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。如图2-4所示，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。

2.6超级电容器的放电特性

超级电容器的放电过程是充电的逆过程，其放电特性和传统电容器输出特性相似，当外接负载时，电压的变化是呈指数下降的。由于负载等效电阻通常小于超级电容器内部并联等效电阻REP，所以在分析超级电容器放电过程时可以忽略REP的作用，将其等效为理想电容器cf和串联等效阻抗Res串联的电路模型。

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图2-5 超级电容器放电电路等效模型

放电过程中，超级电容器两端电压U?t?和放电电流I?t?的关系为

U?t??Uc?t??I?t??Res （2-9）

从公式可以看出，超级电容器两端电压值的变化与理想电容两端电压以及放电电流密切相关。

小电流放电时，Res上的电压压降可以忽略，此时超级电容器可以等效为理想电容器，能够按照理想电容器的相关公式进行储能分析。

当大电流放电时，Res上压降较大，如果检测到负极电压U?t?在达到规定的下限时，超级电容器将会停止运作，由公式可知，此时理想电容器两端电压Uc?t?仍然停留在一个较大值，即超级电容器储存的能量并没有完全释放出来，可见串联等效电阻Res的存在影响了超级电容器的功率输出，降低了超级电容器的有效储能。所以大电流放电时，Res的能耗不能忽略。

在超级电容器放电过程中，不可避免的会造成端电压的下降，为了满足负载需求及提高储能利用率，通常需要为超级电容器配置电力电子变换器，通过调节功率变换器使超级电容器处于恒流放电、恒压放电获恒功率放电等运行模式，其中恒压放电是实际应用中最常使用的方式。

3 超级电容器电压均衡研究

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3.1 电压均衡方案

电压均衡在超级电容器的实际应用中有着很重要的作用，同时电压均衡方案的选取也直接关系到超级电容器组能否正常高效的工作。超级电容器电压均衡方法有许多种方式，主要分为能耗型和回馈型两大类也各有其各自的优缺点。本课题通过对比分析选择出比较使用的电压均衡方案。 3.1.1 稳压管电压均衡法

稳压管的基本工作原理是每个超级电容器都并联一个稳压管，当电容器的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电容器的电压不再上升。该方法的优点是电路结构简单，成本低；但是其充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，造成能量浪费。

图3-1稳压管稳压法示意图

图 3-2 稳压管稳压法仿真电路

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