超级电容串联均压研究

超级电容器是一种新型电力储能器件 ， 电容量可达数千法拉 ， 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 ， 应 用 于 电力 有源 滤 波 器 （ Ｐ ） 新 型无 功 补 偿设 备 （Ｔ Ｔ 可 ＡＦ、 ＳＡ －
Ｃ Ｍ） 达到改善电能质量等效果。超级 电容器还具有容量配置灵活、 Ｏ 中， 易于实现模块化设计 、 循环使 用寿命长、 工作温度范围宽、 环境友好、 免维护等优点 ， 这些特性使其更适于苛刻的工作环境。
１ 超 级 电容 器 的 内部结 构 及应 用
超级 电容器 作为 一种新 型绿 色环保 的储能元 件 ， 电能 以（／ ） Ｕ 将 １２ Ｃ ２的 电场 形式存 储在 电荷
器 的端 电压 。 由于其 放 电特性 与 静 电 电容 更 为 接 近 ， 以 所 仍 然称 之为 “ 电容 ” 。从 储 电原 理上 ， 级 电容 器 可 以分 为 超
电却具有电容特性 ： ①两极电位与电极上施加或释放 的电荷几乎呈线性关系 ② 如果该系统 电压随时间 呈 线性 变化 ｄ ／ ｔ＝Ｋ， Ｕｄ 则产 生恒 定 或几 乎 恒定 的 电流 ＝ Ｃ Ｕ ｄ ｄ ／ ｔ＝ Ｃ 因此也 叫电化学 电容 。 Ｋ，
类 似 于蓄 电池 ， 超级 电容器 的单 体 电压 较低 ， 少 以 自然形 态 直 接 使 用 ， 以通过 多 个 单 体 的 串联 极 可 与 并联 构成 超 级 电容 器 储能 阵列 ， 以满 足实 际应 用 系统 的 电气 特性要 求 。
收 稿 日期 ： ０ Ｏ—ｏ ２１ ７一ｏ ３ 作者简介 ： 韩晓男 （ ９ ８一） 女， １８ ， 吉林省长春市人 ， 华北电力大学电气工程及其 自动化专业 ， 研究 方向为电气工程及其 自动化．
第 ４期
韩 晓男： 超级 电容 串联均压研 究
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式 。 电容器 总 电容 为正 负两 极 电容 串联 的 结果 。
第３ Ｏ卷第 ４期
２１ ００年 ８月
东
北
电
力
大
学
学
报
Ｖ １ ３ Ｎｏ ４ ｏ ． ０． ．
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ ｔｅｓ ｉｎｉ ｎｖｒｉ ｏ ｒ ａ Ｎ ｒｈａ ｔ ａ ｉｅｓ ｙ Ｏｆ Ｄ ｉ Ｕ ｔ
Ａｕ ．， ０１ ｇ ２ ０
文 章 编 号 ：０５— ９ ２ ２ １ ）４—０６ ０ １０ ２ ９ （０ ０ ０ ０８— ５
（ ） 拉第 准 电容 。 ２法
法 拉第 准 电容 的 电极 中包 含 二 维 （ ： 如 Ｈ或一 些 金 属 （ ｂ Ｂ、 ｕ 或 准二 维 （ ： Ｐ 、 ｉＣ ） 如 多孔 过 渡 金 属 氧化 物 （ Ｒ Ｏ 、ｒ： ） 料 ， 充 放 电过程 中 ， 如 ｕ Ｉ ） 材 Ｏ 在 电极 表 面 的发 生 电沉 积 或 氧 化 还 原过 程 。这 种 电容 的储 能 方 式不 再是 单 纯 的物理 储能 ， 是 与 电池一 样发 生 了法拉 第 电荷传 递 的 电化 学变 化 过 程 。但 是 其充 放 而
图 １ 双 电层电容原理图解
在 电极／ 液界 面 的溶液 一侧 离 电极 一定 距离 排 成一排 ， 溶 形成 一个 电荷数 量 与 电极 表 面剩余 电荷数量 相
等而符号相反的界面层如图 １ 。由于界面上存在位垒， 两层电荷都不能越过边界彼此中和 ， 这样充电界 面由两个电荷层组成 ， 一层在电极上 ， 另一层在溶液中， 因此称为双 电层。这是一种静电型能量储存方
问题 ， 了几种均压控制的方法 ， 了串联超级 电容 器组的 电压均衡 ， 级电容器 组延长有 效使 介绍 实现 使超
用寿命 ， 提高超级电容器的工作 可靠性 。
关 键 词： 超级电容器 ； 串联 ； 均压
文献标识码 ： Ａ 中 图 分类 号 ： Ｐ２ ６ Ｔ ０
近年来 ， 国内 、 外专 家学 者对 电力储 能技术 给予 了极 大 的关 注 ， 电力 转 换 与存 储 技术 已经 在 电力 系 统、 可再 生 能源系 统 、 艇及航 空航 天 电源 、 舰 国防军 工新 概念 武 器 、 业 控 制 等领 域 得到 了广 泛 的应 用 。 工 由于世 界范 围 内电力 工业 正在进 行重 组 ， 给各 种各 样 的储 能技 术带 来 了新 的 发展机 遇 ¨ 。 这 叫Ｊ
超 级 电容 串联 均 压 研 究
韩晓 男
（ 北 电力 大 学 ， 京 １２０ 华 北 ０ ２６）
摘
要： 超级电容器因其具有 比功率 高、 充电速度快以及循环使 用寿命长等特点 ， 为近 年来重要 成
的储能设备之一 。超级电容器串联使用 时 ， 单体状态的一致 性问题是 制约其使 用寿命 和故障率 高的主 要 因素 。对超级电容组进行均衡管理具有 十分重要 的意义 ， 文针对 超级 电容 器在 串联 应用 中存 在的 本
双电层电容和法拉弟准电容两类
（ ） 电层 电容 。 １双
充 电 放 电
双 电层 电容器 是基 于表 面积 碳材料 与溶 液 间界 面双 电
层原理 的 电容器 。它 可 以用 双 电层 模 型来说 明 。 电容 电极
表面 的静 电荷 从溶 液 中吸 附部 分 不 规则 分 配 的离 子 ， 们 它
２ 超 级 电容 器 的 串联
超级 电容器单体的耐压很低 （ 小于 ３Ｖ） 实际需要中， ， 需要将 大量 电容器单元串联 ， 即累积起来提 高工 作 电压 。 由ｎ 组同样的电容器单元组成 的超级 电容器的容量是单个 电容器的 １ｎ 对于电压值（ ） ／， 不同的 ｒ ｔ
个电容器单元， 总能量为１２ 。 ／Ｃ∑ 对于单元电 压值相同的电容器， 最终电压Ｕ＝ Ｕ， ｎｉ 总电容量值Ｃ
＝
Ｃ／ 。 ｎ 总能量 为 Ｅ， 则
Ｅ ＝ （／ ） １２ ｃ ＝ １ ２ ． ／ Ｃｎ （） １