超级电容储能模块设计
超级电容原理及应用
超级电容原理及应用摘要随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。
在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。
电池技术的缺陷Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。
众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。
同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。
超级电容器的特点和优势超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。
同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。
除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。
所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。
因此，必须采用恒流或恒压充电器。
１０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。
在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。
关键词电子技术;超级电容器;综述;原理;应用AbstractAlong with society economy of development, people for green energy and ecosystem environment more and more concern, the super capacitor be 1 kind to newly keep ability spare part, because it have no can act for of the superiority be more and more valued by people.In some demand the Gao the design of the power, high-efficiency solution, engineer already beginning adoption super capacitor to replace tradition of battery.The blemish of battery techniqueThe new battery of the Li ion, NiMH etc. can provide the energy of a credibility storage project, and already extensive in a lot of realm usage.Know to all, the chemistry battery pass electricity chemical reaction, creation the farad electric charge transfer to storage electric charge of, the service life be shorter, and be subjected to temperature influence bigger, this also similarly adoption the lead sour battery(storage battery) of design face of difficulty.In the meantime, big electric current would direct influence the life span of thesebatteries, therefore, for request longevity life, Gao credibility of some application, these show according to the battery of chemical reaction various shortage.The characteristics and advantage of super capacitorThe principle not new technique of super capacitor, familiar super capacitor mostly is double electricity layer structure, compared with the electrolysis capacitor, this kind of super density and power density of the capacitor energy all very Gao.Together tradition of the capacitor and two battery compare, super capacitor storage electric charge of ability ratio common capacitor Gao, and have to refresh and discharge speed quick, efficiency Gao, free from pollution to environment, circulation life span long, usage temperature scope breadth, the safety Gao Deng3's characteristics.In addition to fast charge with turn on electricity, the another main characteristics of super capacitor be a low resistance.So, when a super capacitor drive all turn on electricity, it performance small electric resistance characteristic, if there is no restriction, it would the Ye take possibility of source electric current.Therefore, have to the adoption Heng flow or constant pressure charger.10 year ago, super capacitor every year can sell go to seldom of amount,and price cost a lot, about USD 1~2/method pull, now, super capacitor alreadyBe standard product large quantity quantity supply market, the price alsoconsumedly lower, average USD 0.01~0.02/method pull.In the last few years in,the super capacitor have already started get into a lot of application realm,such as consume realms such as electronics, industry and transportation industryetc..KEY WORD electron technology;supercapacitors;review;principles;applications目录第一章绪言 (1)第二章超级电容器的原理及结构 (1)第一节超级电容器结构 (1)第二节工作原理及超级电容器储能系统...... (3)第三节主要特点 (4)第三章超级电容器特性 (5)第一节额定容量 (5)第二节额定电压 (5)第三节额定电流 (6)第四节最大存储能量 (6)第五节能量密度 (6)第六节功率密度 (6)第七节等效串联电阻 (6)第八节阻抗频率特性 (7)第九节工作与存储温度 (7)第十节漏电流 (7)第十一节寿命 (7)第十二节循环寿命 (7)第十三节发热 (8)第四章等效电路模型 (8)第五章超级电容器使用实例 (11)第六章超级电容器使用注意事项...... (18)第七章如何选择超级电容器超级电容器的两个主要应用...... .. (18)第八章结论 (20)谢辞 (21)参考文献 (22)第一章绪言电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
超级电容储能装置电压采集电路设计
超级电容储能装置电压采集电路设计作者：朱芳来源：《科技资讯》2018年第21期摘要：介绍了超级电容储能系统的整体结构，对储能系统的各组成部分进行阐述和说明。
针对超级电容储能装置系统的特点和要求，设计了一种性能稳定、高精度的电压采集电路。
分析了电路的原理，给出了电路的原理图。
对电路的实际运行数据和测试数据进行了分析，通过软件处理和温度补偿，提高了电路的测量精度。
实验表明，该电压采集电路能够满足超级电容储能装置的要求，具有广泛的应用场景。
关键词：储能系统超级电容电压采集数据分析中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0050-02随着新材料的不断发现和储能技术的飞速发展，储能装置在电动汽车、光伏系统、数据中心和轨道交通等领域获得了广泛的应用。
超级电容作为储能装置的重要组成部分，其性能的好坏影响着整个储能系统的稳定运行。
电压采集电路作为超级电容储能装置的重要组成部分，对系统的稳定运行起到十分重要的作用。
本文设计了一种高性价比的电压采集电路，电路采用LM358运算放大器实现，通过对超级电容两端的电压进行差分采集，获取超级电容的两端电压。
利用PCF8591实现采集电压数据的读取，AD转换后的数据存储在各通道的指定寄存器中，控制芯片通过I2C协议实现数据的读取。
通过对读取的电压和实际电压数据的对比，分析系统的电压采样精度。
利用软件调整和温度补偿方式，提高了系统的电压采样精度。
最后，给出了改进前后系统的电压采集曲线。
1 超级电容储能系统介绍超级电容作为一种新式储能元件，具有响应速度快、功率密度大、效率高、维护简单、对环境无污染等优点。
因超级电容器具备的优异的长寿命特性，其还可作为系统的备份电源使用，提高系统整体的可靠稳定性。
储能系统主要用于能量的存储，通过能量转化的方式将电能存储在超级电容器中。
目前，超级电容储能系统的应用场合较为广泛，其系统电路结构也有较大差异。
一种高集成度微型超级电容后备电源模块设计
一种高集成度微型超级电容后备电源模块设计当前，越来越多的超级电容器应用于小功率短时后备电源，例如电力用Ⅰ/Ⅱ型集中器、故障指示器、汽车行车记录仪、北斗导航控制器等等。
然而，在实际使用过程中，很多隐性的问题逐渐凸现，例如超级电容周边PCB腐蚀、超级电容鼓底或提前失效等等，这些问题给超级电容的应用带来不小的困扰。
正是基于此，需要设计一款高集成度微型超级电容后备电源，一方面可以保证超级电容极其相关电路的独立性；另一方面，有利于提升超级电容充放电管理电路的性能，避免不恰当的管理电路设计带来的负面影响。
一、设计思路-就够设计要点为解决现有分离式超级电容应用中出现的问题，结构设计主要应实现如下几个要求：（1）整体外形与超级电容自身结构兼容。
当前市场上圆柱状卷绕式超级电容占主导地位，为充分压缩模块超级电容后备电源模块整体体积，且不显著改变原有电容的封装外形，结构整体轮廓需与超级电容本体紧密结合与匹配。
（2）PCB板集成简易。
超级电容后备电源模块应预留足够的空间给充放电管理电路PCB 使用，同时该空间位置应方便PCB安装，以最大限度减少PCB集成难度。
（3）超级电容后备电源模块采取整体灌胶密封处理，为此，在整体结构设计过程中，应通过内部组件之间的配合，预留必要的胶液通道，这样既可以保证灌胶的质量，也可以保证灌胶的效率。
（4）精简加工工序。
超级电容后备电源模块内部各组件应可实现简单快速安装，以适应后续批量化生产的要求。
二、电路设计可见，超级电容后备电源模块主要由充电管理单元M1、放电管理单元M2、超级电容模组SC1和不间断控制单元L1四个部分构成。
其中，充电管理单元M1依据不同的充电时间要求，结合超级电容自身特性完成对超级电容模组SC1的充电；放电管理单元M2则根据不同的放电负载要求而进行放电；不间断控制单元L1则通过逻辑控制在输入供电掉电时，将超级电容无缝切入，继续给负载供电。
相比较而言，超级电容器的储能密度低于常用锂电池或铅酸电池。
超级电容器储能单元的设计分析_张慧妍
超级电容器实际上是一种复杂的电容网络，每一支路都具 有各自的电阻以及相应的特性时间常数。这就导致存储的能量 与荷电状态、电压等级、放置时间、甚至放电电流的大小有关。 在实际工程应用中，超级电容器简化的等效电路如图 １ 所示［１］。
超级电容器等效为一个理想电容器 Ｃ 与一个较小阻值的 电阻（等效串联阻抗，Ｒ ＥＳ）相串联，同时与一个较大阻值的电 阻（等效并联阻抗，Ｒ ＥＰ）相并联的结构。由于 Ｒ ＥＳ 的存在，充、放 电过程中能效不再为 １。充放电时电流流经 Ｒ ＥＳ，会产生能耗并 引起超级电容器发热；在放电过程中由于电阻分压作用而减少
超级电容器充放电时，通常可以忽略表示静态特性的并联 等效电阻 Ｒ ＥＰ 的作用。因此，在进行储能单元设计时，如图 ２ 所 示，超级电容器简化为一个理想电容器与一个阻值较小的电阻 Ｒ ＥＳ 相串联的模型。
２ 储能单元的优化设计
图 ２ 给出了分析超级电容器充放电等效模型。在充放电
过程中，Ｒ ＥＳ 对能量消耗以及储能量释放的多少存在影响，其 影响的程度与充放电电流的大小有关。超级电容器充电时，
Ｄ ｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｔａｎｋ
ＺＨ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ ｕｉ－ｙａｎ１，２，Ｑ Ｉ Ｚｈｉ－ｐｉｎｇ１ （１!Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＥ ｌｅｃｔｒｉｃａｌＥ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｃ ｈｉｎｅｓｅ Ａ ｃａｄｅｍ ｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂ ｅｉｊｉｎｇ １０００８０，Ｃ ｈｉｎａ；
C
(U
2 w
-
U
2 min
)
（５）
实际应用中，ｍ "ｎ，ｍ ，ｎ 均取整数，相当于适当扩容，自
然补偿了为简化设计而忽略的 Ｒ ＥＳ 部分的能耗，此方法简单， 实用，易于理解。
基于列车制动的超级电容型储能系统的参数设计与控制
Ｄ —Ｄ ｃ Ｃ变 换 器 的 大 功 率 超级 电容 型 储 能 装 置 。分 析 Ｊ该 储 能 装 置 的工 作 状 态 ， 通 过 计 算 北 京 地 铁 ５号线 单 列 ， 并
乍再 生 制 动 反 馈 到 电 网 的参 数 确 定 ｒ陔储 能 装 置 的 主 要 参 数 。根 据 储 能 装 置 的 数 学 模 型 和 设 计 参 数 进 行 了储 能 装置双闭环控制器的分析， 最后 通 过 仿 真 验 证 了控 制 器 的 有 效性 和合 理 性 。
关 键 词 列 车 再生 制动 ； 级 电容 储 能 装 置 ； 数 设 计 ；双 闭环 控 制 超 参
中 图 分 类 号 ： ７ ． ９ ３９ Ｕ２ ３ ９ ． ５ 文 献标 志码 ：Ａ
城市 轨道 车辆制动 时 ， 电机 由电动机 状 态转 化为 发 电机状态 ， 列车 的 动能 转化 为 电能 ， 向直 流 电 网反馈 能
电 网 络 的 电 压 及 超 级 电 容 器 端 电 压 在 能 量 交 换 时 是 随 时 变 化 的 ， 电 压 范 围 变 化 宽 ， 就 需 要 一 个 如 图 １中 且 这 的 一 个 变 换 模 块 来 保 证 供 电 网 络 和 超 级 电 容 器 之 间 能
引和制 动 。列 车制 动 回馈 到 供 电 网的 能 量大 小 与 同 一 一 供 电区段 列车运 行密度 有关 ， 在 同一供 电 区段有 相邻 若 列 车在作牵 引运 行 ， 则再 生 制 动 能量 ＿ 被 邻 车 吸收 ， 口 ｆ 不 然 当网压升高 一定程 度时 只能转 为 电阻制 动 ， 动 能量 制 由列车 车载 电阻器消耗 。若 车上不设 制 动 电阻 ， 行 中 运 又无邻 车吸收 ， 只能 用 摩擦 制 动 ， 样 会带 来 一 系列 则 这 问题ｌ 。城 市轨道 车 辆 由 再生 制 动 反馈 到 电 网的 能量 】 ｊ 能达 到 电网供 给列 车 能 量 的 ４ ｌ ， 算 在 列 车 运 行 ０ ２ 就 ］
超级电容储能系统硬件设计
超级电容储能系统硬件设计作者：邢华刚李凯钱荣兴志来源：《科技资讯》2017年第30期DOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.30.083摘要：城市轨道交通需要频繁启动和制动，由于传统牵引供电变电站不能反向吸收能量，车辆再生制动时产生的多余能量都被浪费。
针对超级电容在轨道交通应用方面的特点，给出了三电平双向直流变换器的工作原理，并完成了参数设计，最后设计了基于DSP控制器的硬件电路。
本系统具有控制精度高、响应快等优点。
关键词：超级电容城市轨道交通功率中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（c）-0083-03轨道交通车辆运行的特点是站间距离短、运行速度高、启动与制动频繁。
如何有效回收轨道车辆的制动能量，提高整个系统的能量利用效率，增强电网电压的稳定性，对轨道交通系统安全、可靠、高效运行有着重要的意义。
超级电容作为轨道交通的储能单元，可以满足启动频繁、加速、爬坡的高功率要求，同时在制动时可以进行大功率的能量回收。
但基于超级电容的城市轨道交通储能系统，目前还没有成熟产品，而国内研究采用超级电容器吸收再生制动能量也才刚起步，所以研究超级电容储能系统具有很大的发展空间。
1 功率拓扑结构设计三电平DC-DC分为共地和不共地两种拓扑，图1为输入输出共地式拓扑，其中Cfiy为飞跨电容，Q1、Q2、Q3、Q4是四只开关管，L是滤波电感，VH和VL分别是高端电压和低端电压，CH和CL分别是高压端电容和低压端电容。
稳态时Cfly是飞跨电容，电压为输入电压的一半，即Vcfly=VH/2。
在储能系统中对超级电容进行充电，对于双向DC-DC变换器来说为Buck模式；超级电容中的电放到系统中，对双向DC-DC变换器来说为Boost模式。
在Buck模式下占空比D=UO/Ui，在Boost模式下占空比D=（UO-Ui）/Ui；控制Q1～Q4的占空比D分为D>0.5和D0.5时刻驱动波形。
基于超级电容器的光伏储能系统设计
基于超级电容器的光伏储能系统设计光伏储能系统是利用太阳能发电并将多余的电能存储起来，以供电网需要时使用。
这是一种可再生能源的利用方式，具有环境友好、资源丰富等优势。
然而，传统的光伏储能系统存在着储能能力不足、发电波动性大等问题。
超级电容器作为一种新兴的储能装置，具备高能量密度、快速充放电速度和长周期使用等优势，有望用于改进光伏储能系统的性能。
1.光伏储能系统设计的要求和挑战在设计光伏储能系统时，需要考虑系统的功率需求和储能能力。
光伏发电系统具有较大的功率波动性，而传统的储能装置难以满足其快速充放电的要求。
超级电容器具有快速充放电速度的特点，能够满足光伏发电系统的瞬时功率需求。
此外，光伏储能系统还需要考虑储能效率和成本等因素。
2.超级电容器的选择与配置超级电容器是一种以电离作用为基础的电容器，具有高能量密度和高功率密度等特点。
在选择超级电容器时，需要考虑其容量、电压和阻抗等参数。
根据储能需求的不同，可以选择不同容量的超级电容器进行配置。
此外，超级电容器的串并联配置和组网方案也需要综合考虑，以满足系统的整体性能需求。
3.光伏储能系统的控制策略基于超级电容器的光伏储能系统的控制策略需要考虑充放电控制、储能和供电等方面。
系统的控制策略可以根据需求设定，例如优化功率分配、平衡电池电压以及提高储能效率等。
控制策略的设计对系统的性能有着重要影响，可以有效提高系统的稳定性和储能效率。
4.性能评估与优化为了评估基于超级电容器的光伏储能系统的性能，我们设计并搭建了一个实验平台。
通过实验，可以测量系统的功率输出、储能效率和充放电速度等指标，并对系统的性能进行评估。
在评估的基础上，可以提出针对性的优化方法和建议，以进一步提高系统的性能和储能效率。
5.结论基于超级电容器的光伏储能系统具有重要的应用价值和前景。
通过合理选择和配置超级电容器，设计相应的控制策略，并进行性能评估和优化，可以有效提高光伏储能系统的功率输出和储能能力。
超级电容器在储能领域的应用及性能优化
超级电容器在储能领域的应用及性能优化超级电容器（Supercapacitor）是一种储能装置，具有高能量密度、长循环寿命和快速充电与放电等优点。
它在能量存储和释放中具有广泛的应用，特别是在储能领域。
本文将探讨超级电容器在储能领域的应用，并提出相应的性能优化策略。
一、超级电容器在储能领域的应用1. 瞬态储能应用：超级电容器具有快速充电和放电的特性，在电能转换、电路稳定性和负载平衡等方面发挥重要作用，在瞬态储能应用中广泛使用。
例如，电动车和混合动力车通常利用超级电容器存储制动能量，并在需要时释放能量以提高车辆的燃料效率。
2. 供电备份应用：超级电容器具有长循环寿命和较低的能量损耗，适用于供电备份应用。
在电网故障或突发停电时，超级电容器可以提供短时的备用电源，确保关键设备的正常运行，减少生产或生活中的损失。
3. 可再生能源平滑输出：超级电容器可用于可再生能源系统中的平滑输出。
由于可再生能源的天气和变化的风速等因素的不稳定性，使用超级电容器可以存储能量并平滑输出，以在不稳定的环境中提供稳定的电力供应。
4. 电子设备稳压和滤波：超级电容器在电子设备中的应用日益增多，可用于滤波和稳压。
通过将超级电容器与传统电容器和电池结合使用，可以提高电子设备的功率密度和稳定性。
二、超级电容器性能优化策略为了进一步提高超级电容器的性能，在储能领域的应用中，我们可以采取以下策略：1. 电极材料优化：电极是超级电容器的核心组件之一，其材料的选择和优化对性能起着关键作用。
研究人员可以通过合成新型纳米材料、涂敷活性物质以增加电极表面积、优化电极结构等方法来改善电极性能，从而提高超级电容器的能量密度和功率密度。
2. 电解质优化：电解质是超级电容器电极之间的介质，对电容器的功率密度和循环寿命具有直接影响。
优化电解质的离子导电性和稳定性，可以提高超级电容器的性能。
例如，研究人员可以改变电解质的组成、添加添加剂或调整电解质浓度等方式来改善电解质性能。
用于风力发电变桨距控制系统的超级电容模组的设计与制作
用于风力发电变桨距控制系统的超级电容模组的设计与制作摘要：由于超级电容具有可以快速充放电、循环寿命长等优异性能，因此非常适合用于风力发电变桨系统的储能装置。
本文分析了超级电容模组的设计原理、设计方法和制作方法，并通过实例阐述了其在风力发电变桨控制系统中的应用。
关键词：风力发电;超级电容模组;设计;制作1引言风力发电变桨距控制系统在市电正常时，依靠市电供电，为了保证当市电停止后，风力发电变桨距控制系统仍然可以工作一段时间，需要为系统提供一定工作能量的储能装置。
储能装置储存能量的大小，根据用电设备的功率和备用时间确定。
有一些储能装置采用蓄电池等作为储能装置，其主要缺点是重量较重、体积较大、循环寿命短、维护成本较高，同时充放电效率低，对工作温度要求也较严格。
超级电容也叫做电化学电容器，是近期发展起来的一种新型储能元件，它既像静电电容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力，使得这两种元件之间找到了一个最佳的结合点。
它性能稳定，比容量为传统电容器的20~200倍，比功率一般大于1000W/Kg，循环寿命大于105次，可存储的能量比传统电容要高得多，并且充电快速。
由于它们的使用寿命非常长，可被应用于终端产品的整个生命周期。
超级电容模组是由单只超级电容串联并配以均压电路组合而成的，具有超级电容的优点并且具有一定的耐压的电容器体。
超级电容模组的出现，就可以很好的弥补铅酸电池等储能器件的缺陷，工作温度范围宽（-40℃到+70℃），解决了铅酸电池在室外寒冷条件下使用效率大大降低的问题。
充放电循环50万次，大大提升了储能器件的使用寿命。
充放电速度快，无记忆效应，大电流放电几乎对超级电容寿命无影响。
基于这些诸多优点，超级电容模组被用于风力发电变桨距控制系统的的储能装置，在电力出现故障的情况下，由超级电容器模组来给这样的系统存储和提供能源。
2超级电容模组设计2.1设计原理单只超级电容器电压一般比较低，有2.5V和2.7V两种。
超级电容储能系统硬件设计
工 业 技 术83科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.30.083超级电容储能系统硬件设计①邢华刚 李凯 钱荣 兴志（南京信息职业技术学院电子信息学院 江苏南京 210023）摘 要:城市轨道交通需要频繁启动和制动，由于传统牵引供电变电站不能反向吸收能量，车辆再生制动时产生的多余能量都被浪费。
针对超级电容在轨道交通应用方面的特点，给出了三电平双向直流变换器的工作原理，并完成了参数设计,最后设计了基于DSP控制器的硬件电路。
本系统具有控制精度高、响应快等优点。
关键词:超级电容 城市轨道交通 功率中图分类号:U270 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)10(c)-0083-03轨道交通车辆运行的特点是站间距离短、运行速度高、启动与制动频繁。
如何有效回收轨道车辆的制动能量，提高整个系统的能量利用效率，增强电网电压的稳定性，对轨道交通系统安全、可靠、高效运行有着重要的意义。
超级电容作为轨道交通的储能单元，可以满足启动频繁、加速、爬坡的高功率要求，同时在制动时可以进行大功率的能量回收。
但基于超级电容的城市轨道交通储能系统，目前还没有成熟产品，而国内研究采用超级电容器吸收再生制动能量也才刚起步，所以研究超级电容储能系统具有很大的发展空间。
1 功率拓扑结构设计三电平DC-DC分为共地和不共地两种拓扑，图1为输入输出共地式拓扑，其中C f iy 为飞跨电容，Q 1、Q 2、Q 3、Q 4是四只开关管，L是滤波电感，V H 和V L 分别是高端电压和低端电压，C H 和C L 分别是高压端电容和低压端电容。
稳态时C f ly 是飞跨电容，电压为输入电压的一半,即V c f ly =V H /2。
在储能系统中对超级电容进行充电，对于双向DC-DC 变换器来说为Buck模式；超级电容中的电放到系统中，对双向DC-DC变换器来说为Boost模式。
《超级电容储能控制系统研究与设计》范文
《超级电容储能控制系统研究与设计》篇一一、引言随着科技的快速发展，电动汽车、能源互联网以及工业控制等众多领域对于电源的需求日趋增加。
对于此类领域的持续电力需求和日益加剧的能源短缺之间的矛盾，迫切地催生了众多新兴储能技术的研究。
其中，超级电容作为一种新型的储能元件，因其高功率密度、快速充放电、长寿命等优点，在储能领域中受到了广泛的关注。
本文旨在研究并设计一个超级电容储能控制系统，以期实现对能量的高效存储和稳定释放。
二、超级电容技术概述超级电容作为一种新兴的储能元件，拥有极快的充放电速度，良好的充放电循环稳定性，且具备较长的使用寿命。
其工作原理基于双电层理论，即通过电极表面吸附电荷的方式实现能量存储。
由于超级电容的这些优势，其被广泛应用于电动汽车、电力系统等领域。
三、超级电容储能控制系统的研究（一）系统架构设计超级电容储能控制系统主要由超级电容模块、控制单元、接口电路等部分组成。
其中，控制单元是整个系统的核心，负责接收外部指令，对超级电容模块进行充放电控制。
（二）充放电策略研究系统通过智能算法，根据实际应用场景，对充放电策略进行设计。
当需要大功率放电时，系统能快速地分配电量并保持稳定输出；当系统处于空闲状态时，则进行智能充电管理，以延长超级电容的使用寿命。
（三）安全保护措施为确保系统的稳定运行和延长使用寿命，系统设计了多重安全保护措施。
包括过充保护、过放保护、过流保护等，以防止因外部因素导致的系统损坏或性能下降。
四、超级电容储能控制系统的设计（一）硬件设计硬件设计主要包括超级电容模块的选择与连接、控制单元的电路设计以及接口电路的设计等。
其中，控制单元电路设计需考虑到电源管理、信号处理和通信等功能需求。
（二）软件设计软件设计包括系统算法的编写和程序的开发等。
其中算法部分需根据实际应用场景进行优化设计，确保系统在各种情况下都能实现高效稳定的运行。
同时，程序开发需考虑到系统的可扩展性和可维护性。
五、实验与结果分析（一）实验设置为验证所设计的超级电容储能控制系统的性能，我们进行了多组实验。
基于PSCAD超级电容储能容量优化设计
1绪论本文通过理解超级电容器的基本工作原理和充放电特性，对超级电容器进行优化设计。
其目的是有效地改善因新能源分布式发电的随机性带来的电能质量问题，同时使超级电容储能在优化后容量更大，电能储存更加稳定。
从而可以让电场中的电能进行无能量形式的转换，这样能够缩短充放电时间。
2超级电容储能的原理及其特性超级电容储能系统是以静电极化电解溶液为主要方式，达到能量储存的。
在储能过程中，极化电解液作为一种电化学元素，它可以完成对电能量的有效储存，但不会发生化学反应。
由于在储能过程中超级电容储能装置能够循环充放电数十万次，故此过程存在可逆性。
如果将超级电容储能装置看作是电解液中的两个非活性多孔板，当对极板加上一个电势差，负离子向正极板运动并吸附，正离子向负极板运动并吸附；而存储层中，分离的正负离子相向运动，并吸附。
此过程中形成了两个电层，类似于两个电容。
在电解质溶液中两相之间存在电势差，这是由于金属电极表面与液体电极表面分别吸附了过量电荷，其电荷符号相反。
此时若放入两个电极和一个电解液，以及在电解液中放置一个相对于前者电压更低的电解液，其中的正负离子，会因为电场的存在而移向不同极性，从而使两个电极分别形成不同的电水征，即为电双层。
它是经电场中受极化电荷影响的双电层和电介质的常规电容器形成的。
2.1超级电容储能的充电特性在充电过程中时，能量的消耗主要以等效串联阻抗Res 上的能耗为主。
设储能系统在恒流充电时，取电流为I s 、系统初始电压为0、额定电压为U n ，设充电过程时间为t ，可得超级电容储能系统损耗的电能为：W s =I s 2×Res×t（1）又已知充电时间与电流的关系为：（2）将公式（2）、公式（1），联合整理可得：（3）故对超级电容储能系统进行恒流充电时，在充电电流I s 逐渐增大的情况下，该过程的能量损耗W s 会先增大当达到最大值时，会逐渐减小，且当I s=U n /2Res 时能量损失拥有最大值。
超级电容器的设计与优化
超级电容器的设计与优化随着科技的发展和人们对高性能能源存储装置的需求不断增加，超级电容器作为一种高效能源储存装置应运而生。
本文将探讨超级电容器的设计与优化，旨在提高其性能和实际应用的可行性。
一、超级电容器的基本原理超级电容器是一种能够存储和释放大量电能的装置，其基本原理是电荷在电介质双层界面上的吸附和解吸。
超级电容器由两个电极（通常是碳材料）和一个电解质介质组成。
在充电过程中，电化学双层被充满电荷，存储电能；在放电过程中，电荷从电极中释放，释放电能。
超级电容器相比传统电池具有快速充放电能力和长寿命的优势。
二、超级电容器的设计考虑因素在设计超级电容器时，需要考虑以下因素以达到最佳性能和稳定性：1. 电极材料选择：选用导电性能好、表面积大的碳材料作为电极，如活性炭、纳米碳管等。
电极材料的选择直接影响着电容器的电容量和充放电速度。
2. 电解质选择：电解质质量和性能对电容器的性能起着至关重要的作用。
一个合适的电解质应具有高离子导电性、低电阻和长寿命等特性。
3. 极间距设计：合理的极间距设计有助于提高电容器的能量密度和电容量。
较小的极间距有助于提高电极间的电荷传输速度，从而提高超级电容器的性能。
4. 温度管理：超级电容器的工作温度对其性能稳定性至关重要。
合适的温度管理系统可以提高电容器的寿命和性能。
5. 循环寿命优化：超级电容器的循环寿命直接影响其在实际应用中的可行性。
通过优化电解质组成、电极表面改性等方式，可以有效延长电容器的寿命。
三、超级电容器的性能优化方法为了提高超级电容器的性能，可采取以下优化方法：1. 材料表面改性：通过在电极材料表面增加活性物质、纳米颗粒等，可以增加电极与电解质之间的界面面积，从而提高电容器的电容量。
2. 混合电介质设计：使用不同种类的电介质组合可以提高电容器的电能密度和功率密度。
混合电介质可以充分利用各自的优势，优化电容器的性能。
3. 构建纳米结构：通过纳米材料的运用，可以提高电极材料的比表面积，从而提高超级电容器的能量密度。
超级电容储能模块设计
超级电容储能模块设计超级电容储能模块设计电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益增加。
可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。
但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。
超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。
它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力[1，2],单体的容量目前已经做到万法拉级。
同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。
自1957年美国人Becker发表第一篇关于超级电容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、UPS等应用方向进行研究，目前已开发出了50kVA和80kVA的实验样机[3]；利用超级电容器配合蓄电池作为辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率[4]，并出现了超级电容混合动力汽车[5]。
随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部分取代传统蓄电池。
本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代12V蓄电池的超级电容模块，通过计算分析得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量。
该模块具有寿命长，不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景。
一、超级电容储能模块的设计由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为，其中C为超级电容的单体电容量，为单体超级电容充电完成的电压值。
超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电容的使用范围。
超级电容器储能装置研究
超级电容器储能装置的研究1、本文概述随着全球能源危机和环境污染的日益严重，储能技术的研究和应用受到了广泛关注。
在众多储能技术中，超级电容器作为一种新兴的储能器件，以其功率密度高、充放电快、循环寿命长等独特优势，被广泛应用于电动汽车、电力系统、移动设备等领域。
本文旨在对超级电容器储能装置进行深入研究，探讨其基本原理、性能特点、应用领域和发展趋势，为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和指导。
本文将首先介绍超级电容器的基本原理和结构，包括电极材料、电解质和隔膜等关键部件。
随后，通过对不同类型超级电容器的比较分析，阐述了其性能特点和适用场景。
在此基础上，本文将进一步探讨超级电容器在电动汽车、电力系统、移动设备等领域的应用现状和发展趋势。
本文还将对超级电容器储能装置面临的挑战和未来发展方向进行展望，以促进超级电容器技术的进一步发展和应用。
2、超级电容器储能装置的原理与特点超级电容器储能器件的工作原理主要基于两种储能机制：双层电容和赝电容。
在双层电容器中，在电极表面和电解质之间形成薄的双层。
当向电极施加电压时，电解质中的离子在电极表面上形成电荷层，从而实现能量存储。
另一方面，伪电容通过快速可逆的法拉第反应在电极表面形成电荷，从而在电极表面产生更高的电荷密度，提高储能效率。
高功率密度：超级电容器的一个显著特征是其高功率密度，这意味着它们可以提供更大的单位质量或体积的功率输出。
这使得超级电容器非常适合于需要在短时间内提供大量能量的应用，例如电动汽车的加速阶段、电力系统的瞬时负载平衡等。
寿命长：与传统电池相比，超级电容器的寿命更长。
这是因为超级电容器的充放电过程不涉及复杂的化学反应，从而减少了电极材料的损耗和降解。
在适当的工作条件下，超级电容器可以经历数十万甚至数百万次的充电和放电循环，而不会显著降低性能。
宽工作温度范围：超级电容器可以在宽温度范围内工作，适用于极端环境中的储能需求。
例如，在寒冷的北极地区或炎热的沙漠地区，超级电容器可以保持稳定的性能。
地铁制动能量回收超级电容储能系统 实例设计
在目前倡导环保节能生产、低碳绿色生活的时代下，上述的能源与资源消耗是不合时宜 的。为了降低能耗、节约能源、降低运营成本，轨道交通再生制动能量的回馈吸收利用成为 近年来研究的热点。其目的在于设法将列车制动能量吸收并存储起来，当需要的时候再将吸 收存储的能量释放出来，提高供电电能的利用率并减少能量的浪费。目前，比较成熟并且有 商业应用的轨道交通再生制动能量回馈吸收利用技术主要包括飞轮储能技术和超级电容器 储能技术。而飞轮技术系统复杂庞大，配置不灵活，控制难度高，成本高，推广难度较大。 还有，曾有人提出的并网式逆变馈能系统，在地铁这样的系统中，因制动持续时间短、瞬时 功率大（一般为牵引功率的 1~3 倍），成本太昂贵、可靠性不够高，收益不成比，难以商业 运营。
超级电容储能模块在游梁式抽油机中的研究与应用
2020年26期应用科技科技创新与应用Technology Innovation and Application超级电容储能模块在游梁式抽油机中的研究与应用徐海亮1，兰明君1，赵永杰1，李军1，郑华1，郭江1，李端斌2（1.河口采油厂，山东东营257200；2.山东爱特机电技术有限责任公司，山东东营257000）随着油田的不断开发，近年来，我国大部分油田已进入开发中后期，油井供液量不足，而且受作业影响较大。
根据节能及生产要求，变频器被广泛应用于抽油机驱动。
由于抽油机周期性的进入倒发电状态，倒发电能量被注入到直流侧，导致直流侧电压升高，为防止电压过高造成器件损坏，必须对倒发电能量进行处理。
为解决该问题，现有的处理方式主要有三种：回馈电网、就地消耗、储存。
使用四象限整流器将倒发电能量回馈电网，会造成电网末端电压波动，对电网造成冲击。
就地消耗大部分以电阻发热形式进行，造成能量浪费。
电能储存就是将抽油机倒发电能量储存起来，当抽油机进入电动状态时再利用，是最有可能实现节能与安全兼顾的方法。
1变频储能技术原理变频调速技术实现了电动机的软启动，对电网无冲击，电动机基波功率因数可由0.25~0.50提高到0.90以上，降低变压器及线路损耗。
利用变频器可实现实时、无极调速，不需停产即可根据油井的实际供液能力，动态调整冲次，减少空抽，节能效果明显。
储能技术就是采用超级电容将倒发电能量储存起来，当抽油机负载较重时再利用。
变频储能主电路如图1所示，双向DC/DC 单元输入端连接到变频器直流母线，输出端连接到超级电容器单元。
由于双向DC/DC 单元及超级电容器均有电流限制，因此变频器通电后，双向DC/DC 单元首先对超级电容充电到设定值，当抽油机进入倒发电状态时才能提供足够的充电功率。
抽油机运行过程中，双向DC/DC 单元根据直流母线电压控制电能在超级电容器与变频器直流母线间双向流动。
抽油机进入倒发电状态时，直流母线电压升高到设定值时，双向DC/DC 单元向超级电容充电，并根据倒发电程度自动调节充电电流，稳定直流母线电压。
超级电容参考设计
超级电容参考设计针对高分辨率照相手机的LED闪光灯超级电容参考设计发布商:Advanced Analogic Technologies 2008年11月19日手机正在变成终极集大成便携式消费电子平台。
它的性能包括：捕捉高质量图像、Wi-Fi网络访问、清脆的音频、更长的通话时间、以及更长的电池寿命。
不过，一个主要的设计挑战也正在浮现出来。
为了适应高度复杂的移动应用，手机电池仍然需要费很大的力气才能提供足够的峰值功率，这就推动了可为高性能操作提供所需功率的电路的需求，这种电路可以在不过载电池的前提下在短时间内储存大电流。
对高级照相手机制造商来说，最重要的挑战就是提供高亮度相机闪光灯所需的大峰值电流。
随着照相手机的分辨率增长到三百万像素及以上，产生高质量图像所需的光通量也已急剧提高。
为了匹配数码相机的照片质量，必须以高达2A的电流驱动LED闪光灯，或将氙气闪光管充电到330V以上。
手机的其他应用（包括RF功放、GPS导航、互联网访问、音乐和视频）也有可能超过电池电流的供应能力。
设计挑战照相手机在中度到低度光照条件下需要一个高亮度闪光灯来产生曝光充分的图片。
设计师可以选择LED或氙气闪光管，但它们两者都有相应的挑战。
大电流LED闪光灯需要4倍于电池提供的功率，才能产生高分辨率图像所需的光亮度。
为了克服功率限制问题，一些照相手机已经采用更长的闪光曝光时间来补偿光通量的不足，而这会导致图片的模糊。
氙气闪光管可提供很好的光照度，但它的闪光曝光时间很短，因此不能用于视频捕捉/电影模式功能。
它所需的电解储存电容对纤薄型设计来说体积太大、工作电压很高，两次闪光之间需要较长时间才能充满电，不能用于手机中其他需要峰值功率的应用。
解决为每个LED闪光灯提供1～2A驱动电流问题的方法之一是，用一个电容来储存电流，并在不分流主电池的情况下快速供电。
不过，如果采用传统电容要储存大电流，不是需要一个体积非常大的大容量电容，就是需要多个并联起来的中等容量电容。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
超级电容储能模块设计
电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益增加。
可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。
但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。
超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。
它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力[1，2],单体的容量目前已经做到万法拉级。
同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。
自1957年美国人Becker发表第一篇关于超级电容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、UPS等应用方向进行研究，目前已开发出了50kVA和80kVA的实验样机[3]；利用超级电容器配合蓄电池作为辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率[4]，并出现了超级电容混合动力汽车[5]。
随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部分取代传统蓄电池。
本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代12V蓄电池的超级电容模块，通过计算分析得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量。
该模块具有寿命长，不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景。
一、超级电容储能模块的设计
由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为
，其中C为超级电容的单体电容量，为单体超级电容充电完成的电压值。
超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电容的使用范围。
而通过相应的DC-DC芯片可以提高超级电容的最低工作电压。
假设超级电容以m个串联，n组并联的方式构成。
则每个超级电容的能量输出为
(1)
其中，为芯片的最低启动电压。
故超级电容阵列的能量总输出为，为超级电容的总能量。
本文采用SU2400P-0027V-1RA超级电容，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻（ESR（DC）=1mΩ）。
为了构成替代12V蓄电池的超级电容模块，我们采用8个2400F/2.7V的电容构成模块，采用4个超级电容单体串联，两组并联的方式构成，如图1所示。
超级电容器的特性，如功率密度、能量密度、储能效率、循环寿命等，取决于器件内部的材料、结构和工艺，器件并联或串联不会影响其特性[6]。
其等效串联内阻
(2)
其中，为串联器件数，为并联支路数。
超级电容器组的等效电容为：
(3) 故超级电容阵列的等效内阻和等效电容为，
将超级电容模块的容量与蓄电池的容量参数的比较，由
(4)
得到对应于蓄电池安时数的超级电容阵列容量为，其中Umin为相应的芯
片的最低启动电压。
三、相关电路的设计
电路的总体构图如图3所示，它包括充电电路、超级电容储能模块和工作放电电路等部分
组成，其设计流程图如图2所示。
图2 电路设计流程
3.1 充电电路
把超级电容等效为一个理想电容器C;与一个较小阻值的电阻(等效串联
阻抗，)相串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗，)相并联的结构。
如
图3所示[7]。
超级电容可以进行大电流充电，但是由于串联等效电阻的存在，采用过大电流充电时，超级电容的充电效率会有一定程度的降低，因此需要考虑充电电流对
超级电容的工作效率的影响。
采用恒流充电时，如图3所示，Is为恒流充电电流值，则
(5) u(t)表示超级电容器端电压，表示超级电容器内储存电荷所决定的电容电压
(6)
其中=0V，为超级电容的初电压，表示在等效串联电阻Res上的压降。
充电过程中消耗的总电能为
(7) 超级电容器存储的能量为
(8)
由能量守恒公式，等式成立，理想情况下，超级电容器的恒流充电效率表示为:
(9)
采用matlab对超级电容的充电电流和工作效率进行模拟，并采用origin软件对结果进行处理，结果如下：
图4 充电电流与充电效率η的关系
由图4可知，超级电容单体在充电电流为3A~8A时保持比较高的充电效率,之后，随着电流强度的增大，损耗在相应电阻上的功率也随之增大,充电效率逐渐下降。
根据上面的结果，我们采用L4970A芯片构成相关的充电电路对超级电容进
行充电，如图5所示，该电路可以提供10A的恒流充电电流，其输出电压由电阻R7和R9确定。
L4970A是ST公司推出的第二代单片开关稳压器，具有输出电流大，输入电压范围宽，开关频率高等特点，具有很高的充电效率。
市电220V通过整流滤波之后输出35V的直流电压，随后通过图5所示电路。
如图所示，C1和C2为输入端滤波电容，C3、C4分别为驱动级启动端和Vref端的滤波电容。
R1和R2构成复位输入端的电阻分压器，C5为软启动电容，C6为复位延迟电容。
C8和R3构成误差放大器的频率补偿网络，C7则用于高频补偿。
R4和C9分别为定时电阻和定时电容。
C10为自举电容。
续流二极管VD采用MBR2080型（20A/80V）的肖特基二极管。
C11和R5构成吸收网络，R6为复位输出端的内部晶体管的集电极电阻。
C12~C14为输出端滤波电容，并联三只相同的220μF/40V的电解电容以降低其等效电感。
L4970A芯片的输出电压设定为10.8V，其输出电阻R7由下式确定：，其中R9=4.7K，令Uo=10.8V，则R7=5.25K，取标称值5.1K。
超级电容的充电的时间根据公式，其中C为超级电容的额定容量，dv为超级电容的电压变化，I为超级电容的充电电流，t为充电时间。
故超级电容阵列的充电时间为（充电电流为10A的情况下）
3.2 稳压输出电路
由于代替的蓄电池模块的输出电压为12V，而超级电容的电压为10.8V，且随着超级电容工作不断放电，其两端的电压将不断降低，当超级电容释放储能的50%的能量时, 其端电压将下降到初始电压的70%。
因此需要相应的升压控制电路避免由于超级电容阵列电压的降低影响负载的正常运行,提高超级电容储能的利用率。
图6 稳压输出电路
我们采用MAXIM公司的升压型dc/dc芯片MAX668。
MAX668具有很宽的输入输出电压范围，它可以将3~12V的输入电压升高到12V输出，同时，由于其采用了低至100mV的电流检测电压和MAXIM公司特有的空闲模式，转换效率高达90%以上，具有最高1A的电流输出能力，升压电路如图6所示。
MAX668为固定频率，电流反馈型PWM控制器，内部采用双极型CMOS多输入比较器，可同时处理输出误差信号、电流检测信号和斜率补偿信号，由于省去了传统的误差放大器，从而抑制了由误差放大产生的相移。
MAX668能够驱动多种类型的N沟道MOSFET,这里选择的是FDS6680。
由于芯片工作在100 kHz 以上的高频状态，所以二极管D1应选取可高速关断的肖基特二极管，本文选择的是MBR5340T3。
超级电容以4个串联，2组并联的方式构成。
每个超级电容的能量输出为
其中，为芯片的最低启动电压。
故超级电容阵列的能量总输出为，超级电容阵列的容量为
本超级电容替代模块的容量为10Ah，最大输出电流为1A，若要扩大其应用范围只需要改变超级电容的串并联数量和相应的芯片即可。
四、总结
由于容量的限制, 电容的作用一直被限制在滤波、耦合、谐振等方面。
随着超级电容的发展，其应用范围得到不断拓宽。
本文介绍了一种替代蓄电池的超级电容储能模块，通过合理地设计充电和稳压电路，该模块的能量输出可达到59200J,具有稳定性好，转换效率高等特点。
通过matlab软件计算本文充电电路的电流与效率之间关系，并确定最佳的充电电流范围。
随着超级电容耐压的提升、容量的扩大和价格的降低，相应的小功率储能模块具有很好的应用前景。