基于超級電容+X 電池復合管理系統研究

吳宗華，孫 嫻

（1.楚雄技師學院，云南 楚雄彝族自治州675000；2.鄭州市信息技術學校，河南 鄭州450018）

隨著社會的進步和科技的發展，人類致力于研發利用新能源，解決能源枯竭和環境污染問題。各種儲能設備不斷發展，目前使用最多的是蓄電池。蓄電池的發明和應用歷史悠久，人類最早發明的是伏打電池，隨后發明了鉛酸蓄電池，隨著科技發展，又發明了鎳鎘電池、鎳氫電池、氧化銀電池、鋰離子電池等，這類電池均屬于化學能電池，其電能是靠化學能的轉化實現的。超級電容與上述電池的儲能方式不同，屬純物理方式儲能，應用前景很廣，但由于其能量密度低，不能完全代替蓄電池。本文嘗試把超級電容與蓄電池的優點進行優化組合，解決目前市場上的蓄電池存在的問題，減少環境污染。

1 超級電容

超級電容是指介于傳統電容充電電池之間的一種新型儲能裝置，它既具有電容快速充放電特性，同時又具有電池的儲能特性，超級電容是通過電極與電解質之間形成的界面雙層存儲能量的新型元器件[1]。

1.1 超級電容的充放電特性

超級電容的儲能原理不同于常規的蓄電池，其充放電過程及儲能狀態有其自身特點，受充放電電流、充放電的環境溫度、充放電循環次數等因素影響，其中充放電電流是主要的影響因素。筆者通過8.4 V/1 000 F 超級電容充放電特性試驗發現，超級電容的電能容量與充放電電流關系為：超級電容所存儲能量E 是電容C 和內阻R 的函數。假設采用A 作為充電電流，電容C 不隨超級電容的端電壓變化，則最大儲能密度可表示為：

式（1）中：Ce為額定電容，F；UR為額定電壓，V；m 為電容器質量，kg。

額定電流是根據恒定電流放電測試得到的，計算公式如下所示：

式（2）中：Ce為額定電容，F；Ie為額定電容器時測量對應的放電電流，A；t1為放電初始電壓達到U1的時間，s；t2為放電終止電壓達到U2的時間，s[2-4]；U1為測量的初始電壓，V；U2為測量的終止電壓，V。

超級電容的電路如圖1 所示。

圖1 超級電容的電路圖

以上電路由3 個單體為2.8 V/3 000 F 的超級電容+電壓平衡器串聯組成，額定電壓可達8.4 V（充滿電），每個超級電容的一致性較好，內阻為0.03 Ω左右，電壓平衡器在額定電壓內自放電電流3 μA。

用一個DC/DC 升降壓模塊，使其電壓調節到10 V 恒壓，超級電容放電時起始電壓為7.66 V，終止電壓為4.79 V，恒流放電電流為1.023 A，對10 Ω/20 W 水泥電阻放電，其實測放電特性如圖2 所示。

圖2 超級電容放電圖

其放電擬合方程為U=7.66×（1.011 5）-t，t 為放電時間，以分鐘計時。

充電起始電壓4.79 V，將穩壓電源調到8.4 V，終止電壓6.81 V，其實測充電特性如圖3 所示。

圖3 超級電容恒壓充電圖

由圖3 可以看出，超級電容仍按指數曲線特性充放電。

1.2 超級電容的應用及局限性

超級電容功率密度高，大功率輸出電能，其輸出功率是蓄電池功率的40 倍以上，可以實現秒級充電，充電次數達50 萬次以上，而且反復循環其容量沒出現明顯下降，因此，超級電容可做大功率電源，比如電動車的啟動、電動汽車的上坡、軌道交通車等。但由于超級電容能量密度低，每次充電與蓄電池相比電能較小，不能長時間放電，所以超級電容存在單獨使用時體積較大的局限。

2 X 電池的特點

X 電池泛指除一次性電池外，可以實現二次充電重復使用的電池，比如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、氧化銀電池、鋰離子電池等，二次電池中目前常用的是鋰電池，以鋰電池作為X 電池來研究，鋰電池的充電特性比較穩定，通常有恒壓充電、恒流充電及階梯式充電。本文用鋰電池Doublepow18650 做恒流放電測試，其單體電量3 400 mAh（12 580 mWh），實測其恒流放電特性如圖4 所示。

圖4 鋰電池恒流放電

從圖4 可以看出，不同的放電速率其放電時間也不同，滿格放電電壓從4.2 V 到3.6 V，近似為一條斜率為負的直線，而且近似相互平行，即斜率僅與鋰電池內阻有關，與負載無關?？梢钥闯龃箅娏鞣烹妼ζ涮匦杂绊戄^小，其恒流放電直線部分可用下述公式描述：

式（3）中：U0為恒流放電起始電壓，實驗中取4.2 V；Ui與放電倍率有關；k 為放電曲線斜率；t 為放電時間。

從圖4 可以看出：鋰電池在長時間放電過程中電壓相對穩定；電池可大電流放電；當電壓低于2.8 V 后，曲線比較陡峭，降壓幅度明顯，低于2.8 V 后會造成永久性損壞。

鋰電池在眾多的二次電池中具有自身優點：儲存能量大、放電電壓性能穩定等。但也存在一些缺點，比如大電流充電時，電池的穩定性變差，電池容易過熱，造成永久性損壞，甚至會引起燃燒爆炸等危險事故。

3 超級電容+X 電池系統

超級電容和蓄電池是兩個不同的儲能系統，超級電容通過物理過程儲存電能，蓄電池通過化學過程儲存電能，但二者的釋放電能目標是一致的，為其他設備提供電能動力。

3.1 超級電容+鋰離子電池充電系統

系統設計分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 串聯型充電

圖6 并聯型充電

圖5 是串聯型充電，超級電容和鋰電池同時充電，二者實現優勢互補，超級電容能大電流充電，可在10 s～10 min內充滿電，但超級電容的能量密度較低，與鋰電池同等能量下，其體積將會很大。圖6 是并聯充電，由于超級電容瞬間充電電流很大，電容器近乎短路，鋰電池充電電壓近于0，隨著電容器電壓的升高，鋰電池進入充電狀態。

3.2 超級電容+鋰離子電池放電系統

改進后的系統，如圖7 所示，直接將超級電容與鋰電池串聯起來，通過CD/CD 調壓裝置可以對負載進行恒壓放電。實驗中超級電容用2.8 V/3 000 F，額定電能為3 Wh 的兩個串聯，鋰電池用Doublepow18650，單體電量3 400 mAh（12 580 mWh）。

圖7 改進后的系統

超級電容：U1=2.783 V，U2=2.792 V，U1+U2=5.57 V。

鋰電池：U3=4.17 V。

U1+U2+U3=9.74 V（初始），輸出電壓為6 V。

負載用水泥電阻：R=5 Ω/20 W。

額定輸出電流：I=U/R=6/5=1.2 A。

其中CD/CD 是調壓裝置，轉化效率為96%以上，實測特性如圖8 所示。

圖8 改進后的系統放電圖

當放電電壓為4.97 V，放電時間可達100 min 以上；停止放電后，超級電容電壓U1+U2=1.56 V。鋰電池電壓為3.413 V。額定總能量為6+12.58=18.58 Wh。100 min 放電E=P×t=6×1.2×100/60=12 Wh。超級電容仍有余能可以放出，如果要提高超級電容的輸出能量，可以考慮采取下列2 種方案：增加鋰電池串聯節數（電壓），這樣可以使超級電容放電到0 V，徹底釋放掉電容的能量；超級電容采用并聯，同時增加鋰電池串聯節數。

4 結論

考慮到超級電容安全及充放電次數高達幾十萬次的特性，增加超級電容數量，減少安全性較差的鋰電池數量，實現二者優勢互補。利用超級電容的大電流充電特性，實現短時間內快速充電，解決需隨時補充電能做動力能源的難題，能大幅度提高系統的整體安全性能，減少環境污染，也解決