基于超级电容器蓄电装置的研制

现用蓄电装置所暴露的问题越来越突出，其中最大的问题是寿命短和重金属污染物的回收处理问题。超级电容器具有充电速度快，循环寿命长，无污染等优点，由于超级电容的单体电压较低，不能满足应用工况的电压需求范围，为此需要将多个单体串联起来。

李应生，孔银昌

(黄淮学院电子信息工程系，河南马店463000)

但是由于单体超级电容之间的差异，使得电压不能均衡地分配给每个单体超级电容，这将使超级电容储能量明显下降并加速容量相对小的超级电容性能变坏。为了解决上述问题，用与超级电容同设计的电压均衡电路相连后封装，构成超级电容模块，由封装成的多个超级电容模块和单片机及有关电路构成超级电容蓄电装置。实验结果表明，超级电容蓄电装置储能效果良好。超级电容蓄电装置的研究推广应用前景广阔。随着人们对储能产品的性能需求和对环境保护要求的迅速提高，现用蓄电装置所暴露的问题越来越突出。其中最大的问题是寿命短、容量小和重金属污染物的回收处理问题。因此，研制一种寿命长、容量大、体积小、性能优良,并不会造成环境污染,易于回收利用的绿色环保型超级电容蓄电装置是一种迫切需要。

与常规电池相比较超级电容蓄电装置的优越综合性能主要表现为：充放电速度快，如用超级电容蓄电装置制造电动机车，对电动机车充电会同给燃油汽车加油一样快捷方便;超级电容的等效串联电阻(ESR)很小，可以提供非常大的电流;具有非常高的比功率，超级电容的比功率是铅酸电池比功率的10倍;使用温度范围宽，超级电容蓄电装置可以正常工作的温度范围在-40～75℃之间;充放电寿命很长，可高达数十万次，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;超级电容是在高度多孔状电极与束缚态电解质的接触表面所特定的双电层上实现储能的，为物理电源。使用超级电容器比使用化学电池的总体成本要低。超级电容与蓄电池相比代表了能量存储领域的新方向。目前超级电容储能在电梯、电力机车启动等场合及制动能量回收系统中得到了较为广泛的应用。随着超级电容性能的提升，在新能源利用以及其他一些领域中会部分取代传统蓄电池。蓄电装置的研究与发展，将会迎来电动机车取代燃油汽车的新的变革时代。

由于超级电容的单体电压较低，不能满足应用工况的电压需求范围，为此需要将多个单体串联起来。然而在超级电容组件的设计中，由于各个单体电容性能存在一定的分散性，这使得总电压不能均衡地分配给每个单体电容。由于单体容量的差异，在使用中超级电容器经过多个循环的深度充放电，单体电容之间的性能差异将变大，这将使容量相对小的电容性能变坏，从而加速老化，寿命缩短，阻抗的增加将使整个电容组的特性变差，缩短整体寿命。因此，设计者必须保证组件总的工作电压在分配给单体电容时不会使其过压，并使各单体电压的分散性趋于最小化，使储能趋于最大化。

为了解决上述问题，我们在广泛征集用户意见和建议的基础上，综合国内外同类产品的优点，特提出超级电容蓄电装置研制项目。

1项目研究开发内容及目标

本项目选用SU2400P-0027V-1RA型超级电容，该型号电容具有较高的比功率、比能量和较低的等效串联电阻。首先将性能接近的8只2400F/2.7V超级电容器两两并联后串联，同设计的电压均衡电路相连后封装，构成超级电容模块，使电容模块内各单体电容电压控制在额定值，避免了过压对电容的损坏。由封装成的10个超级电容模块和单片机及有关电路构成基于超级电容器的蓄电装置。超级电容蓄电装置的功能包括：10个电容模块电压、总电压、充放电电流和电容箱内温度的检测与监视，以及电容模块在充放电过程中的在线电压均衡。

超级电容蓄电装置中10个超级电容模块间的在线电压均衡采用飞渡电容法均衡，飞渡电容均衡法电路结构简单，通过均衡电容可以实现能量在超级电容蓄电装置中任意两个电容模块之间的直接转移，没有重复无效的能量流动。将均衡电容器在串联电容模块中电压最高的电容模块和电压最低的电容模块之间进行并联切换，完成电荷由电压最高的电容模块到电压最低的电容模块的转移，从而使电压高的电容模块的电压下降，电压低的电容模块的电压上升，达到均衡的目的。

超级电容蓄电装置包括数据采集系统、光电隔离电路、继电器开关阵列、均衡控制数字量输出和信息显示触摸屏等部分。