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| 供貨周期 | 現(xiàn)貨 | 規(guī)格 | NP1224 |
|---|---|---|---|
| 貨號 | 捷益達(dá)蓄電池 | 主要用途 | 直流屏,、配電柜,、UPS、應(yīng)急電源 |
產(chǎn)品分類品牌分類
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產(chǎn)品簡介
詳細(xì)介紹
捷益達(dá)蓄電池NP1224 12V24AH*報價參考
捷益達(dá)蓄電池NP1224 12V24AH*報價參考
一種替代12V蓄電池的超級電容儲能模塊,，并設(shè)計了相應(yīng)的充電和穩(wěn)壓輸出電路。通過matlab軟件對充電電流進(jìn)行計算并采用進(jìn)行L4970A和MAX668芯片進(jìn)行電路設(shè)計,，保證電路的效率和輸出的穩(wěn)定可靠.隨著超級電容性能的提升,，這種模塊有望在部分代替蓄電池。
敘詞：蓄電池 超級電容 儲能模塊 芯片
引言
電能是當(dāng)代社會*的重要資源,，而儲能設(shè)備的優(yōu)劣直接影響著電力設(shè)備的充分應(yīng)用,。近年來隨著便攜式設(shè)備、不間斷電源系統(tǒng)以及電動車的大量開發(fā)使用,，蓄電池的使用量日益增加,。可充電蓄電池,，特別是鉛酸蓄電池憑借其價格低廉,、性能穩(wěn)定、沒有記憶功能等特點(diǎn)普遍應(yīng)用在各行各業(yè)。但蓄電池受其先天條件的制約,，存在著循環(huán)壽命差,、高低溫性能差、充放電過程敏感,、深度放電性能容量恢復(fù)困難,、環(huán)境污染的問題，傳統(tǒng)蓄電池已經(jīng)越來越無法滿足人們對儲能系統(tǒng)的要求,。
超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種新型電力儲能器件，也稱為電化學(xué)電容,。它既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢又像電池一樣具有較大電荷儲存能力[1,，2],單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級。同時,，超級電容還具有循環(huán)壽命長,、功率密度大、充放電速度快,、高溫性能好,、容量配置靈活、環(huán)境友好免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),。自1957年美國人Becker發(fā)表*篇關(guān)于超級電容的以來,，超級電容的應(yīng)用范圍越來越廣:在直流電氣化鐵路供電、UPS等應(yīng)用方向進(jìn)行研究,，目前已開發(fā)出了50kVA和80kVA的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[3];利用超級電容器配合蓄電池作為輔助動力源,，促進(jìn)汽車的能源回收，提高能源利用率[4],，并出現(xiàn)了超級電容混合動力汽車[5],。隨著超級電容性能的提升，它將有望在小功耗電子設(shè)備,、新能源利用以及其他一些領(lǐng)域中部分取代傳統(tǒng)蓄電池,。
本文介紹了一種基于超級電容設(shè)計的用以替代12V蓄電池的超級電容模塊，通過計算分析得出模塊的組合結(jié)構(gòu),、*充電電流范圍,、充電時間以及總的輸出能量。該模塊具有壽命長,，不造成污染,，功率和能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景,。
一,、 超級電容儲能模塊的設(shè)計
由于超級電容的放電不*，存在zui低工作電壓
，所以單體超級電容的能量為 
,，其中C為超級電容的單體電容量,， 
為單體超級電容充電完成的電壓值。
超級電容器單體儲存能量有限且耐壓不高,，需要通過相應(yīng)的串連并聯(lián)方法擴(kuò)容,，擴(kuò)大超級電容的使用范圍。而通過相應(yīng)的DC-DC芯片可以提高超級電容的zui低工作電壓,。假設(shè)超級電容以m個串聯(lián),，n組并聯(lián)的方式構(gòu)成。則每個超級電容的能量輸出為 (1)
其中 
,， 
為芯片的zui低啟動電壓,。故超級電容陣列的能量總輸出為 
， 
為超級電容的總能量,。
本文采用SU2400P-0027V-1RA超級電容,，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯(lián)電阻(ESR(DC)=1mΩ),。為了構(gòu)成替代12V蓄電池的超級電容模塊,，我們采用8個2400F/2.7V的電容構(gòu)成模塊，采用4個超級電容單體串聯(lián),，兩組并聯(lián)的方式構(gòu)成,，如圖1所示。
圖1 超級電容陣列構(gòu)成
超級電容器的特性,，如功率密度,、能量密度、儲能效率,、循環(huán)壽命等,，取決于器件內(nèi)部的材料、結(jié)構(gòu)和工藝,，器件并聯(lián)或串聯(lián)不會影響其特性[6],。其等效串聯(lián)內(nèi)阻
(2)
其中， 
為串聯(lián)器件數(shù),， 
為并聯(lián)支路數(shù),。
超級電容器組的等效電容為：
(3)
故超級電容陣列的等效內(nèi)阻和等效電容為 
， 
將超級電容模塊的容量與蓄電池的容量參數(shù)的比較,，由
(4)
得到對應(yīng)于蓄電池安時數(shù)的超級電容陣列容量為
,，其中Umin為相應(yīng)的芯片的zui低啟動電壓。
三,、相關(guān)電路的設(shè)計
電路的總體構(gòu)圖如圖3所示,，它包括充電電路,、超級電容儲能模塊和工作放電電路等部分組成，其設(shè)計流程圖如圖2所示,?！?/p>
圖2 電路設(shè)計流程
3.1 充電電路
圖3 超級電容等效模型
把超級電容等效為一個理想電容器C;與一個較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗，
)相串聯(lián),，同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗,， 
)相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。如圖3所示[7],。
超級電容可以進(jìn)行大電流充電,，但是由于串聯(lián)等效電阻 的存在，采用過大電流充電時,，超級電容的充電效率會有一定程度的降低,，因此需要考慮充電電流對超級電容的工作效率的影響。采用恒流充電時,，如圖3所示，Is為恒流充電電流值,，則 
(5)
u(t)表示超級電容器端電壓,， 
表示超級電容器內(nèi)儲存電荷所決定的電容電壓 
(6)
其中 
=0V，為超級電容的初電壓,， 
表示在等效串聯(lián)電阻Res上的壓降,。 充電過程中消耗的總電能為
(7)
超級電容器存儲的能量為
(8)
由能量守恒公式，等式 
成立,，理想情況下,，超級電容器的恒流充電效率表示為:
(9)
采用matlab對超級電容的充電電流和工作效率進(jìn)行模擬，并采用origin軟件對結(jié)果進(jìn)行處理,，結(jié)果如下：
圖4 充電電流與充電效率η的關(guān)系
由圖4可知,，超級電容單體在充電電流為3A~8A時保持比較高的充電效率,之后，隨著電流強(qiáng)度的增大,，損耗在相應(yīng)電阻上的功率也隨之增大,充電效率逐漸下降,。
圖5 充電電路設(shè)計
根據(jù)上面的結(jié)果，我們采用L4970A芯片構(gòu)成相關(guān)的充電電路對超級電容進(jìn)行充電,，如圖5所示,，該電路可以提供10A的恒流充電電流，其輸出電壓由電阻R7和R9確定,。
L4970A是ST公司推出的第二代單片開關(guān)穩(wěn)壓器,，具有輸出電流大，輸入電壓范圍寬,，開關(guān)頻率高等特點(diǎn),，具有很高的充電效率。市電220V通過整流濾波之后輸出35V的直流電壓，隨后通過圖5所示電路,。如圖所示,，C1和C2為輸入端濾波電容，C3,、C4分別為驅(qū)動級啟動端和Vref端的濾波電容,。R1和R2構(gòu)成復(fù)位輸入端的電阻分壓器，C5為軟啟動電容,，C6為復(fù)位延遲電容,。C8和R3構(gòu)成誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，C7則用于高頻補(bǔ)償,。R4和C9分別為定時電阻和定時電容,。C10為自舉電容。續(xù)流二極管VD采用MBR2080型(20A/80V)的肖特基二極管,。C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò),，R6為復(fù)位輸出端的內(nèi)部晶體管的集電極電阻。C12~C14為輸出端濾波電容,，并聯(lián)三只相同的220μF/40V的電解電容以降低其等效電感,。
L4970A芯片的輸出電壓設(shè)定為10.8V，其輸出電阻R7由下式確定：
,，其中R9=4.7K,，令Uo=10.8V，則R7=5.25K,，取標(biāo)稱值5.1K,。
超級電容的充電的時間根據(jù)公式 
，其中C為超級電容的額定容量,，dv為超級電容的電壓變化,，I為超級電容的充電電流，t為充電時間,。故超級電容陣列的充電時間為(充電電流為10A的情況下)
3.2 穩(wěn)壓輸出電路
由于代替的蓄電池模塊的輸出電壓為12V,，而超級電容的電壓為10.8V，且隨著超級電容工作不斷放電,，其兩端的電壓將不斷降低,，當(dāng)超級電容釋放儲能的50%的能量時, 其端電壓將下降到初始電壓的70%。因此需要相應(yīng)的升壓控制電路避免由于超級電容陣列電壓的降低影響負(fù)載的正常運(yùn)行,提高超級電容儲能的利用率,?！?/p>
圖6 穩(wěn)壓輸出電路
我們采用MAXIM公司的升壓型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很寬的輸入輸出電壓范圍,，它可以將3~12V的輸入電壓升高到12V輸出,，同時,，由于其采用了低至100mV的電流檢測電壓和MAXIM公司*的空閑模式，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上,，具有zui高1A的電流輸出能力,，升壓電路如圖6所示。
MAX668為固定頻率,，電流反饋型PWM控制器,，內(nèi)部采用雙極型CMOS多輸入比較器，可同時處理輸出誤差信號,、電流檢測信號和斜率補(bǔ)償信號,，由于省去了傳統(tǒng)的誤差放大器，從而抑制了由誤差放大產(chǎn)生的相移,。MAX668能夠驅(qū)動多種類型的N溝道MOSFET,這里選擇的是FDS6680,。由于芯片工作在100 kHz 以上的高頻狀態(tài)，所以二極管D1應(yīng)選取可高速關(guān)斷的肖基特二極管,，本文選擇的是MBR5340T3,。
超級電容以4個串聯(lián)，2組并聯(lián)的方式構(gòu)成,。每個超級電容的能量輸出為 
其中 
,， 為芯片的zui低啟動電壓。
故超級電容陣列的能量總輸出為 
,，超級電容陣列的容量為
本超級電容替代模塊的容量為10Ah，zui大輸出電流為1A,，若要擴(kuò)大其應(yīng)用范圍只需要改變超級電容的串并聯(lián)數(shù)量和相應(yīng)的芯片即可,。
四、總結(jié)
由于容量的限制, 電容的作用一直被限制在濾波,、耦合,、諧振等方面。隨著超級電容的發(fā)展,，其應(yīng)用范圍得到不斷拓寬,。本文介紹了一種替代蓄電池的超級電容儲能模塊，通過合理地設(shè)計充電和穩(wěn)壓電路,，該模塊的能量輸出可達(dá)到59200J,具有穩(wěn)定性好,，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。通過matlab軟件計算本文充電電路的電流與效率之間關(guān)系,，并確定*的充電電流范圍,。隨著超級電容耐壓的提升、容量的擴(kuò)大和價格的降低,，相應(yīng)的小功率儲能模塊具有很好的應(yīng)用前景,。