電源提示：確定高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電容

電容儲(chǔ)能 是指利用電容器的儲(chǔ)存電能的技術(shù)。 電容儲(chǔ)能的機(jī)理為雙電層電容以及法拉第電容，其主要形式為超級(jí)電容儲(chǔ)能，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要由超級(jí)電容組和雙向DC/DC變換器以及相應(yīng)的控制電路組成。其技術(shù)核心在于超級(jí)電容器組內(nèi)部的均壓拓?fù)浜涂刂撇呗砸约半p向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略。 電容儲(chǔ)能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，脈沖電源等。

高壓電容儲(chǔ)能通常為重復(fù)性大功率脈沖負(fù)載提供電力，例如相機(jī)閃光燈或無(wú)線電發(fā)射器。存儲(chǔ)電容器向負(fù)載提供短暫的高功率突發(fā)能量，但隨后允許在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)緩慢充電。它們的好處通常包括較低的平均輸入電流，從而降低了對(duì)輸入源的要求并減小了轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的尺寸。但是存儲(chǔ)電容器可能非常大，因此準(zhǔn)確確定所需的電容以最小化它們的尺寸是有益的。讓我們看看如何確定所需的電容量。

超級(jí)電容器串聯(lián)電壓均衡方法可以分成兩大類 ：一類是通過(guò)阻性器件消耗能量的方式，如穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法；另一類是通過(guò)儲(chǔ)能器件進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的方式，如DC/DC變換器法等。穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法通過(guò)消耗能量達(dá)到電容器的電壓平衡，必然會(huì)降低超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，而且當(dāng)超級(jí)電容器的充電電流較大時(shí)，采用穩(wěn)壓管或者開(kāi)關(guān)電阻法將很難達(dá)到電壓均衡的要求，一方面大功率的阻性器件增大了體積，不便安裝，另一方面消耗的能量增加，溫度過(guò)高將給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患，降低了系統(tǒng)的可靠性。此外，穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法只能在充電的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電壓均衡，具有一定的局限性。能量轉(zhuǎn)移型電壓均衡方法采用儲(chǔ)能器件進(jìn)行電壓均衡，是目前超級(jí)電容器串聯(lián)電壓均衡技術(shù)的發(fā)展方向。

對(duì)儲(chǔ)能電容放電的負(fù)載可分為三種類型：恒功率、恒流或阻性。圖 1 顯示了每種類型如何以 69W 的初始負(fù)載對(duì)充電至 32V 的獨(dú)立 3400μF 電容器進(jìn)行放電的示例。恒定功率負(fù)載，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載，隨著電容器電壓的降低而增加其電流消耗，進(jìn)一步加速電壓衰減。更糟糕的是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率也會(huì)影響放電速率。隨著輸入電壓的降低，升壓等轉(zhuǎn)換器的效率通常會(huì)降低，從而消耗更高的功率。恒功率是三種類型中最苛刻的，需要的電容也最多。

圖 1：存儲(chǔ)電容器的放電率很大程度上取決于負(fù)載類型

恒定電流負(fù)載提供線性放電斜率。這使得預(yù)測(cè)電容器的“結(jié)束”電壓相對(duì)容易。從存儲(chǔ)電容器汲取的功率隨著其電壓的降低而降低，并且只有某些類型的負(fù)載具有這些特性。恒流負(fù)載的示例包括集成電路或恒流 LED 驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用，其電流由線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)。

電阻負(fù)載具有指數(shù)衰減的電壓和最長(zhǎng)的保持時(shí)間。電阻負(fù)載類型是三者中最不常見(jiàn)的。示例包括白熾燈泡、加熱元件或有源負(fù)載。

知道負(fù)載類型后，我們可以使用公式 1、2 和 3 來(lái)確定給定保持時(shí)間所需的存儲(chǔ)電容。根據(jù)圖 1 中的曲線，恒功率負(fù)載（例如 12V 降壓穩(wěn)壓器）可以運(yùn)行約 21mS，然后失控。或者，在需要充電之前，恒定電流負(fù)載可以支持至少 16V 持續(xù) 25mS。如果我們需要穩(wěn)壓器來(lái)提供固定的輸出電壓，請(qǐng)務(wù)必考慮其效率，因?yàn)樗鼤?huì)縮短保持時(shí)間。等式 1、2 和 3 是：

其中是時(shí)間后的最終電容器電壓，t；是初始電容電壓；是放電時(shí)間；是負(fù)載電流；是存儲(chǔ)電容；是功率；是阻力。

具有重復(fù)脈沖負(fù)載的能量存儲(chǔ)需要了解負(fù)載類型及其對(duì)存儲(chǔ)電容器放電率的影響。這使我們可以選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜鹘M大小以實(shí)現(xiàn)必要的時(shí)序。高壓電容存儲(chǔ)提供了一種有效的方法來(lái)提供大的、持續(xù)時(shí)間短的能量脈沖。