超级电容器组

超级电容器组（精选九篇）

超级电容器组 篇1

1 系统总体设计方案

本文设计基于Visual Basic的超级电容器组管理监控系统, 系统采用上、下位机式, 上位机使用个人PC机, 采用Visual Basic语言开发平台设计监控界面, 使系统具有良好的人机交互界面, 下位机使用51系列的单片机ATS89S52作为核心控制器, 单片机控制LTC6803电池组监视器实时采集超级电容器组的单体、组的电压和温度[1,2], 并控制单体电容器的过充和过放, LTC6803电池组监视器采集的数据经过单片机处理后, 通过串行口通信方式传送给上位机。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

系统采用AT89S52系列单片机, 单片机的最小系统包括单片机的电源电路、晶振电路和复位电路3个主要部分, 电路如图2所示。

2.2 LTC6803数据采集电路

该系统采用LTC6803芯片对超级电容器的电压和电流值进行数据采集[3,4,5,6,7,8]。LTC6803特点为: (1) 可测量多达12节串联电池的电压; (2) 可堆迭式架构; (3) 可支持多种化学电池和超级电容器; (4) 至相邻器件的串行接口为菊式连接; (5) 0.25%的最大总测量误差; (6) 专门针对符合ISO26262标准的系统进行设计; (7) 内置温度传感器和热敏电阻输入。

本系统中LTC6803采集电路与六个超级电容器相连接, 芯片的右侧的CSBI、SDO、SDI、SCKI四个引脚与单片机的P2.7、P2.6、P2.5和P2.4四个引脚相连接。在采集电路中, 电容起着滤波的作用, 可以消除小信号以及谐波的干扰, 使采集的数据更加精确。采集电路如图3所示。

2.3 电压均衡电路

本设计的电压均衡电路如图4所示, 每个超级电容器输入端口并联一个6.2 V稳压管, 实现端口保护。电容器并入一个MOSFET-N管和一个15Ω的功率电阻。单片机通过ADC输入引脚采集电压, 并通过控制引脚控制MOSFET-N管的导通和关闭, 当过充时, 通过15Ω的功率电阻放电, 实现电压均衡。2.8 V的超级电容器放电时最大可达到180 m A电流。每个电压采集引脚前加阻容滤波电路, 用来滤除高频干扰。

2.4 温度采集电路

LTC6803中自带温度传感器, 分别使用内部基准电压3 V作为电源进行设计, 采用100 kΩ精密电阻作为标准电阻, 对温度传感器NTC进行采样, 并通过SPI通信, AT89S52进行AD转换后把温度数据通过串口传送给上位机。温度采集电路如图5所示。

2.5 下位机显示电路

下位机可显示每个超级电容器实时采集出来的电压和温度值。系统采用的显示器是LCD1602液晶显示屏, LCD1602液晶显示器采用的是8位的并行数据口, DB0~DB7分别与单片机的P0.0~P0.7相连接, 该显示器的三个控制引脚RS、RW、EN分别与单片机的P2.3、P2.2、P2.1三个I/O口相连接。

2.6 串口通信电路

单片机的P3.0和P3.1分别与MAX232芯片的R2OUT和T2IN相连接, MAX232的输出采用9针的串行数据端口与PC机相连接。

2.7 键盘与报警电路

系统的输入键盘采用6个独立式按键, 分别为K1、K2、K3、K4、K5和K6。当按下K1~K6时, LCD1602液晶显示器上就会显示出超级电容器1~6的电压和温度的实时数据。

系统采用6路LED指示灯作为下位机报警信号。6路LED的报警信号灯与单片机的P1.6、P1.7、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5引脚相连接, 当系统检测到的任何一个超级电容器的电压和温度值出现异常的时候, 系统就会点亮相应的LED信号灯进行报警, 具体说明为:LED1灯亮, 表示欠电压报警;LED2灯亮, 表示过电压报警;LED3灯亮, 表示欠电流报警;LED4灯亮, 表示过电流报警;LED5灯亮, 表示温度异常报警;LED6灯点亮, 表示电量异常报警。

3 系统软件设计

3.1 系统流程图

该系统在正常运行时, 可以实时地对超级电容器组进行管理监控, 即对超级电容器的电压、电流、温度等数据实时采集、处理并显示出来。系统总体流程图如图6所示。

3.2 单体和组的温度及电压采集界面

在上位机采用Visual Basic语言设计监控显示界面, 并实时更新从下位机传送过来的数据。进入到登录界面后, 输入密码进入系统, 在此界面中, 可以显示6组超级电容器的单体电压、电流和温度, 显示组的总电压、总电流及组内最高温度。

3.3 异常情况报警界面

当超级电容器组总电压、总电流或单体温度异常时, 可在报警界面上显示出来。当系统正常运行时, 各指示灯均为绿色, 当出现过电压、过电流、单体温度过限、电容器电量过限时, 指示灯变为红色, 当出现欠电压和欠电流时, 指示灯变为黄色。

4 结语

本文以LTC6803为数据采集芯片, 设计超级电容器组管理监控系统, 采用的超级电容器电压为2.8 V, 电容为100 F。经过调试运行, 系统采集的单体电压误差小于5%;电压均衡电路稳定性高, 短暂的过电压和欠电压后, 系统能自动调节电压值, 防止过充和过放;系统性能良好, 可为大容量和多个超级电容器组的监控管理提供经验。

参考文献

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[4]程立文, 汪继强, 谭玲生.超级电容器的技术与应用市场发展简评[J].电源技术, 2007, 31 (11) :921-925.

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超级电容器改善汽车启动性能 篇2

尽管在这种情况下不连接超级电容器蓄电池也可以启动，但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的转速和性能都提高很多。

由于电源输出功率的提高，启动转速由仅用蓄电池时的300rpm增加到450rpm。

尤其在低温下提高汽车的启动性能，超级电容器的作用是非常大的。

在-20℃时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时仅需一次点火。

对蓄电池应用状态的改善。

超级电容器与蓄电池并联时，由于超级电容器的等效串联电阻远低于蓄电池的内阻，因此在启动瞬间1200A启动电流中的800A电流由超级电容器提供，蓄电池仅提供400A的电流，明显低于仅采用蓄电池的560A，有效降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升，使启动过程的平稳电压得到提高。

超级电容器的原理及应用 篇3

一、超级电容器简介

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，在储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电十万次。超级电容器可视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的全新电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使电极间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器。但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间小得多，因此电容量非常大。当两极板间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时，界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)；如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷响应减少。由此可以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

二、超级电容器的主要特点

1、功率密度高

可达103～104W／kg，远高于目前蓄电池的功率密度水平。

2、循环寿命长

深度充放电循环可达50万次～100万次以上。

3、工作温度范围宽

目前超级电容器工作温度范围可达－40℃～+80℃，今后有望更宽。

4、免维护

超级电容器充放电效率高，对过充电和过放电有一定的承受能力，可稳定地反复充放电，理论上不需要进行维护。

5、绿色环保

超级电容器在生产过程中不使用重金属或其它有害的化学物质，且寿命长，是一种新型的绿色环保电源。

三、超级电容器的使用领域

1、后备电源

税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。

2、启动电源

智能表(智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表)作电磁阀的启动电源。

3、充电电池

在太阳能警示灯、航标灯等太阳能产品中代替充电电池；也可在手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。

4、驱动电源

可用作电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。

5、与其他发电或蓄电系统组合

如风能一太阳能联合发电系统，风力一柴油联合发电系统，风力一燃料电池发电系统等，在电力汇合或互补时采用超级电容器进行调节或过渡期的补充，可以提高系统可靠性与稳定性，并提高电力能源的质量。

近年来，大功率超级电容器的生产逐渐走向成熟。我国科学家经过不断努力，将比活性碳有更多贮存离子空间的金属氧化物附着在直径大约100纳米的碳纳米管上，而碳纳米管又涂在钽金属薄片上，由此形成了“纳米牧场”的结构。研究结果表明，纳米牧场的贮电能力是单个氧化锰贮电能力的10倍，所贮备的电量是现有超级电容器所使用的碳电极贮电量的两倍。纳米牧场的复杂结构可以抵挡机械性能的退化，从而避免超级电容器的性能随时间逐步下降。测试结果表明，此新装置的贮电能力在充电和耗电2万次之后仅仅下降了3％，胜过其他高性能的设计。随着国家在风能、太阳能和电动汽车等领域的不断投入，相信我国的科研工作者有望让它们尽快应用于实际中。

超级电容器组 篇4

超级电容器具有功率密度高、使用寿命长、工作温度范围宽、绿色环保等优点,可广泛应用于电动汽车、智能电网、新能源发电等领域。为了满足输出功率和电压等级的要求,一般要将多只超级电容器串联起来构成高压超级电容器组使用[1]。由于超级电容器的容量、内阻和漏电流等参数存在不一致性,而且参数的不一致性在循环充放电使用过程中又会加剧,出现单体电压不均衡的问题,容量小的单体容易出现过充过放,而容量大的单体容易出现充放电不足,降低了超级电容器组的储能容量和能量存储能量的利用率,缩短了超级电容器的使用寿命。针对单体电压不均衡的问题,目前的研究有三种解决途径:一是通过改进制造工艺提高单体的参数一致性;二是在配组时进行严格的一致性筛选;三是采用电压均衡系统进行均衡控制[2]。前两种方法都不能从根本上解决超级电容器应用过程中单体电压的不均衡,因此,还需通过电压均衡系统来解决问题。

本文提出了一种利用反激式变换器转移超级电容器的能量,实现超级电容器组双向主动电压均衡的系统设计方案,提供了一种在任一单节超级电容器与相邻的超级电容器组之间实现高效率双向电荷转移的方法。通过实验,验证了该电压均衡系统的可行性和有效性。

1 系统原理与设计

超级电容器组双向主动均衡系统由串联超级电容器组、单片机模块、均衡模块、监测模块和触摸屏人机接口模块组成,系统结构如图1所示。系统在单片机模块的控制下,由监测模块负责采集各超级电容器的单体电压,为均衡管理提供参考数据,均衡模块负责执行单片机发送的均衡控制指令,控制双向反激式变换器在任一单节超级电容器与相邻的超级电容器组之间双向转移能量,实现双向主动均衡。触摸屏模块显示系统当前的单体电压数据和均衡状态,同时可接收用户的操作指令。

1.1 均衡模块

超级电容器组均衡模块采用双向反激式变换器结构[3],12节超级电容器组的电压均衡模块结构原理如图2所示。每节超级电容器对应连接到一个双向反激式变换器的初级,所有变换器的次级都连接到12节超级电容器组的两端。

均衡模块能够对每节超级电容器单独进行充电和放电。每个变换器均独立于其他的变换器而运作,并提供了一种在单个电容器与一个较大的相邻电容器组之间实施双向电荷能量转移的方法。可利用外部控制驱动电路LTC3300-2进行驱动和调节均衡电流。LTC3300-2通过SPI总线接收单片机的均衡控制指令,并驱动双向反激式变换器,对单体电压偏低的超级电容器进行充电均衡,对单体电压偏高的超级电容器进行放电均衡。利用双向反激式变换器实现超级电容器组双向主动电压均衡的工作原理如下:

(1)单节超级电容器放电均衡:对于某一给定的超级电容器(如图2中的Cap6),当进行放电均衡操作时,初级开关VT6p接通,电流在变压器初级绕组中上升,达到峰值电流为止,变压器完成储能。初级开关随后关断,且存储在变压器中的能量被转移至次级超级电容器组(Cap1~Cap12),从而导致电流在变压器的次级绕组中流动。次级开关VT6s同步接通以最大限度地减少能量转移期间的功率损耗,直到次级电流降至零为止。一旦次级电流达到零,则次级开关断开而初级开关重新接通,从而重复上述循环。这样,电荷从处于放电状态的超级电容器转移至所有连接在次级的顶端和底端之间的超级电容器组,由此对相邻的电容器组进行充电。

(2)单节超级电容器充电均衡:对于某个给定的电容器(如图2中的Cap1),当使能充电时,次级开关VT1s接通,电流从次级超级电容器组(Cap1~Cap12)流出并流过变压器。一旦次级电流达到峰值,则次级开关断开且电流随后在初级中流动,因而可从整个次级超级电容器组对选定的超级电容器进行充电。与放电时的情况相同,初级开关VT1p同步接通,以最大限度地减少超级电容器充电阶段中的功率损耗。一旦初级电流降至零,则初级开关断开而次级开关重新接通,从而重复该循环。

单节电容器放电的峰值电流(变压器初级)采用下式来设置:IPEAK_PRI=50 mV/RS_PRI。

其中,RS_PRI为变压器初级电流检测电阻,本设计中RS_PRI取8 mΩ。

单节电容器充电的峰值电流(变压器次级)采用下式来设置:IPEAK_SEC=50 mV/RS_SEC。

其中,RS_SEC为变压器次级电流检测电阻,本设计中RS_SEC取15 mΩ。

LTC3300-2是一款多节电池均衡电路驱动控制器芯片,可用作基于变压器的多节串联超级电容器双向主动均衡控制驱动电路。LTC3300-2在内部集成了MOSFET的栅极驱动电路,可通过SPI串行通信接口接收微处理器发送的均衡控制指令,并完成均衡电路的控制与驱动。一个LTC3300-2可对多达6节串联连接的超级电容器进行电压均衡控制,而且任意选定超级电容器的电荷能以高效率在其自身与6节或更多节相邻的超级电容器之间来回转移。利用LTC3300-2的SPI通信接口,在采用光耦隔离的情况下可对多达32个LTC3300-2芯片进行级联扩展,最终实现多于6节的超级电容器组的均衡控制。

1.2 监测模块

监测模块对超级电容器的单体电压进行精确、高速的采集,设计中采用新一代电池组监控芯片LTC6803-4实现12节超级电容器的单体电压采集[4],监测模块电路原理如图3所示。

LTC6803-4芯片内部集成了高精度基准源和一个12位ADC以及一个SPI串行通信接口,能够完成对12节超级电容器(Cap1~Cap12)的单体电压采集,单体电压测量的精度可以达到5 m V。多片LTC6803-4可通过SPI串行通信接口级联在一起,实现多于12节超级电容器的单体电压采集。LTC6803-4与单片机STC12C5A60S2之间通过SPI串行通信接口传输指令与数据。

1.3 电压均衡控制策略

系统通过单片机控制监测模块采集电容器的单体电压,并计算平均单体电压值,作为均衡判断的依据,采用以单体电压为均衡目标的电压均衡法[5]。同时,测量电容器组的总电压并根据总电压变化判断电容器组的状态为静止、充电或放电状态,以执行不同的均衡控制策略。

在静止状态下,均衡控制算法是以该时刻超级电容器组的平均单体电压值作为判断基准,当超级电容器的单体电压比平均单体电压高20 mV以上时,对该电容器进行放电均衡;当超级电容器的单体电压比平均单体电压低20 m V以上时,对该电容器进行充电均衡。均衡控制以5~10 s为周期循环进行,直到所有超级电容器的单体电压与平均单体电压之间的差值在±20 mV范围内为止。

在充电状态下,只对单体电压比平均单体电压高20 m V以上的超级电容器进行放电均衡处理;在放电状态下,只对单体电压比平均单体电压低20 m V以上的超级电容器进行充电均衡处理。

2 实验

采用6节360 F/2.7 V超级电容器串联进行均衡效率测试实验,系统均衡效率测试的硬件连接方法如图4所示。

图4中C1~C6为均衡模块电路板中6个反激式变换器初级绕组与6节超级电容器(Cap1~Cap6)的接线端,串入0.1Ω的电流检测电阻,用于测量单节电容器的充电或放电电流。V-为6节超级电容器组的低电压端。BOT6_Top为6节超级电容器组的高电压端,串入0.1Ω的电流检测电阻,用于测量电容器组的充电或放电电流。电压表m1测量单节电容器的端电压,m3测量6节电容器组的总电压。m2、m4用于测量电流检测电阻上的电压,反映电流的大小变化。

系统均衡效率计算方法如下。

单节超级电容器充电模式:

单节超级电容器放电模式:

2.1 单节超级电容器的充电均衡测试

对超级电容器Cap1进行充电均衡测试时,能量通过反激式变换器从6节电容器组转移至Cap1。在Cap1充电均衡过程中,充电电流检测电阻的电压波形和6节电容器组的放电电流检测电阻的电压波形如图5 a)、图5 b)所示。Vm1~Vm4均取电压平均值,从图5 a)、图5 b)中得知Vm2=148 m V,Vm4=34.2 mV。同时,测得Vm1=2.65 V,Vm3=14.2 V,按公式(1)计算单节超级电容器充电模式下的均衡效率为80.7%。

2.2 单节超级电容器的放电均衡测试

对超级电容器Cap1进行放电均衡测试时,能量通过反激式变换器从Cap1转移至6节电容器组。在Cap1放电均衡过程中,电流检测电阻的电压波形和6节电容器组的电流检测电阻的电压波形如图6 a)、图6 b)所示。

从图6 a)、图6 b)中得知Vm2=220 m V,Vm4=29.5 m V。同时,测得Vm1=2.58 V,Vm3=15.6 V,按公式(2)计算单节超级电容器放电模式下的均衡效率为81.1%。

2.3 均衡效率分析

在单体电压为2.0~2.7 V的条件下对超级电容器进行多次充放电均衡实验,统计分析测得的数据,得到电压均衡过程中能量转移效率与超级电容器单体电压之间的关系,如图7所示。

由图7可知,在超级电容器单体电压为2.3 V以上的条件下,系统双向电压均衡效率均达到80%以上,实现了高效率的双向主动电压均衡。另外,随着超级电容器单体电压的升高,均衡变换器中开关管的驱动电压提高,开关速度加快,开关损耗降低,因此,能量转移效率逐渐提高。

3 结语

本文研究的超级电容器组电压均衡系统采用反激式变换器实现电压均衡过程中的双向能量转移,进而实现了超级电容器组的高效率双向主动电压均衡。与现有的电压均衡技术相比,该系统具有均衡效率高、均衡控制策略灵活、结构扩展方便等特点,能够满足不同电压等级超级电容器组的电压均衡要求,可推广应用于电动公交、新能源发电等领域。

参考文献

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[3]武笛.基于双向反激直流变换器的锂离子电池均衡系统仿真研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[4]曹洪奎,陈永真,关维国.LTC6803-4在超级电容器组管理系统中的应用[J].电子技术应用,2014,40(6):52-54.

柔性超级电容器的设计 篇5

关键词：物理化学,研究型实验,柔性石墨烯膜,超级电容器

物理化学是一门以实验为基础的学科,而研究型物理化学实验的开设旨在引入一些内容新颖、实验技能要求高的实验, 拓展学生的知识面,引导学生从事一些前沿的科研课题或实际化工生产方面的研究,提高学生的思维和创新能力,为学生今后的工作和科研打下坚实基础。根据学生分析和解决问题能力的培养和理论知识学习并重的原则,我们设计了一项研究性实验———超级电容器性能的测定,取得了良好的教学效果。

1实验设计

1.1实验目的

( 1) 学习和熟悉抽滤法制备超级电容器的正负极;

( 2) 掌握制作扣式超级电容器的方法;

( 3) 掌握超级电容器容量和阻抗等测量的电化学实验方法。

1.2实验原理

超级电容器是一种低碳环保、绿色节能、高效储能的新型化学电源,它具有高功率密度、短充放电时间、长循环寿命和宽工作温度范围[1],拥有广阔的应用领域和市场前景,已成为新能源领域的研究热点之一。

超级电容器按照电荷存储能量的机理方式不同可以分为两大类[2]: 双电层电容器( EDLC) 和赝电容器。双电层电容器靠电解液和电极材料之间形成的双电层界面来实现能量存储,而赝电容器依靠电极活性材料与电解液之间发生的可逆脱附 /吸附或伴有氧化还原反应来进行能量存储。

近年来,随着消费电子产品小型化及可穿戴、可折叠、柔性、便携式电子产品的出现,能为之提供能量的轻、薄、柔性的储能器件超级电容器的开发正在备受关注[3]。石墨烯是一种二维碳质材料,具有比表面积大、导电性高、柔韧性好、宽电化学窗口和可控孔结构等结构和性能特征,因而是构建柔性能量存储与转换器件的理想材料之一[4],适宜于大规模开发。我们采用真空抽滤法制备的柔性石墨烯膜作为超级电容器的两个电极,引导学生建造下一代柔性储能元器件,并详细研究了其电化学性能。

石墨烯薄膜具有较好的可折叠性,柔韧性和导电性能,同时用石墨烯膜作为工作电极可以在制备工作电极的过程中不加入任何的粘结剂,可增加活性物质的利用率。

以石墨烯的水溶液为原料来制备石墨烯膜的方法很多,常用的有真空抽滤法、化学气相沉积( CVD) 法、旋转涂覆法和喷涂法等[5]。其中真空抽滤法被认为是一种最有应用前景的制备柔性石墨烯膜的方法之一,这种方法在双电层电容器的制备上被广泛使用。通常将石墨烯先稀释至低浓度,然后快速真空抽滤,将石墨烯片均匀沉积到滤膜( 微孔混纤膜/氧化铝膜) 上, 烘干后剥离出石墨烯膜。石墨烯膜的厚度可以通过分散液的使用量控制,而薄膜的尺寸可以根据组装要求裁减。

化学气相沉积法制备石墨烯膜一般是将片状金属催化剂置于碳氢化合物气体中,加热催化碳氢化合物裂解,在基底表面沉积形成石墨烯膜。常见的金属催化剂有Co、Cu、Ni、Ir、Pt等。化学气相沉积法可以获得结构完美的石墨烯膜,但是成本高,难以实现大规模生产。

旋转涂覆法制备石墨烯膜之前需要将石墨烯表面进行亲水处理,然后将石墨烯分散液滴到基地上,调节转速,使液体在基地上均匀铺展,干燥后得到石墨烯膜。该法制备的膜较粗燥较厚,导电性较差。

喷涂法制备石墨烯膜是将分散液置于喷枪中,通过调节石墨烯的浓度、喷枪的位置和喷涂时间来控制石墨烯膜的厚度。 该法制备的石墨烯电化学性能重复性差。

1.3仪器和设备

主要仪器: 玻璃抽滤瓶一套 ( 包括1000 m L抽滤瓶1个, 300 m L漏斗上杯一个,漏斗基座一个,滤膜垫片一个) ,上海立亚太玻璃仪器制造有限公司; 500 m L烧杯1个,滤膜垫片一个) ,上海立亚太玻璃仪器制造有限公司; 真空干燥箱( DZF 6050) ,上海越众 仪器设备 有限公司; 电化学工 作站 ( CHI660C) ,上海辰华仪器有限公司; 蓝电电池充放电测试仪, 武汉市蓝电电子股份有限公司。

主要试剂: 天然石墨; 聚丙烯多 孔隔膜; 浓H2SO4; Na NO3; KMn O4; H2O2; HI( 质量分数55% ) ; KOH; KCl; 多孔氧化铝滤膜2片; 无纺布滤纸; 蒸馏水。所用试剂均为分析纯,均购自国药集团化学试剂有限公司。

1.4实验步骤

1.4.1氧化石墨的制备[6]

先在冰浴下顺次加入120 m L浓H2SO4、2. 5 g Na NO3和5. 0 g天然石墨粉,均匀混合后缓慢加入15 g KMn O4。磁力搅拌下将上述混合物先置于35 ℃ 下水浴0. 5 h,然后在98 ℃ 水浴下缓慢滴入580 m L去离子水,再加入10 m L H2O2( 质量分数为35% ) 。离心、洗涤至中性后,分散在去离子水中备用。

1.4.2氧化石墨膜的制备

采用真空抽滤法制备氧化石墨烯膜。以多孔氧化铝膜为滤膜,取20 m L 1 mg/m L上述氧化石墨悬浮液进行抽滤和洗涤, 然后置于60 ℃ 下真空干燥,制得氧化石墨膜。

1.4.3石墨烯膜的制备

HI还原法制备石墨烯膜。将上述氧化石墨烯膜置于100 m L HI溶液中,100 ℃ 下油浴0. 5 h,自然降温。用去离子水洗涤后置于85 ℃ 下真空干燥,即制得柔性石墨烯膜。

2.4.4超级电容器的组装

将两片柔性石墨烯膜分别作为正负极,滤纸为隔膜,电解液为6 mol/L KOH,组装成对称性超级电容器。

2结果与讨论

2. 1石墨烯膜形貌分析

首先,我们对石墨烯膜进行弯曲折叠,考察其柔韧性。 图1是制备的石墨烯膜的照片。由图可见,石墨烯膜的直径约为3. 8 cm,柔韧性良好,易于加工成不同形状的电极材料。另外,我们可以采用扫描电镜测量石墨烯膜的截面图。如图2所示,石墨烯膜的厚度约为8. 8 μm。

2. 2石墨烯膜电化学性能分析

我们考察了石墨烯膜组装的对称性超级电容器的电化学性能。图3为超级电容器循环伏安图和恒电流充放电图。循环伏安图中没有氧化还原峰的存在( 图3A) ,是典型的双电层电容。 根据恒电流充放电图( 图3B) 中不同电流密度下的放电时间和下面的公式计算出超级电容器的的质量比电容[7]:其中,Cm为所求电容器材料的电化学比电容( 单位为F/g) , I为放电电流( A) ,t为放电时间 ( s) ,m为电极活性材料的质量( g) ,ΔV为电位窗 口区间 ( V) 。在电流密 度0. 1 A/g、 0. 2 A / g、0. 3 A / g、0. 5 A / g和1 A / g下,超级电容器的比电容分别为54 F/g、49 F/g、44 F/g、42 F/g和40 F/g。此时,笔者为了培养学生的学习主动性,提出让学生查阅电化学资料, 解决两个问题: 1为什么超级电容器的循环伏安图在高扫描速度时会发生扭曲,不再是规则的矩形; 2为什么超级电容器的比电容随着电流密度的增大而减小? 学生在查找资料的过程中学会如何评价电化学性能和改进超级电容器的设计,加深了对电化学理论知识的理解,提高了分析和解决问题的能力。

此外,我们还对超级电容器的循环充放电性能进行了详细探讨。图4为对称性超级电容器的在电流密度0. 5 A/g下的循环寿命图。从图中可以看出,经过1000次循环之后,还能保留原来的95% ,说明这种材料组装成对称性超级电容器循环性能优异。

3实验安排

( 1) 实验准备: 课前1 ~ 2周向学生介绍实验的研究背景及意义,要求学生查阅相关文献,设计实验步骤。

( 2) 第一次实验( 3学时) : 对氧化石墨和柔性石墨烯膜的制备及实验技能训练。

( 3) 第二次实验( 4学时) : 扣式超级电容器的制作方法;

( 4) 第三次实验( 5学时) : 电容器容量和循环性能的表征。

4结语

( 1) 柔性石墨烯膜制备简单,而扣式超级电容器组装简便,且可重复使用,环境友好,可让学生掌握化学电源的制备方法,了解能源发展的科学前沿问题,属于研究型物理化学实验。

( 2) 该实验涉及物化、无机和分析等学科的基本理论知识与实验操作技能,采用启发式教学方式,具备研究性实验的显著特征。该实验需要灵活运用物理化学知识的能力,使学生在分析问题、解决问题和实验技能等方面有较大提高。

超级电容器专利技术分析 篇6

关键词：超级电容器,电极,电解液

随着世界经济的快速发展, 能源危机以及环境污染等问题日益严重, 为了改善这种情况, 寻找高性能且低碳绿色的新型储能电源系统就显得越趋重要。超级电容器这种新型储能装置, 其各项性能指标介于传统电容器与二次电池之间[1], 与传统电容器相比具有更高的比能量及能量密度的优点, 与二次电池相比具有高比功率的长处。

超级电容 (Super-capacitor;ultra-capacitor) 又称电化学电容 (Electrochemical capacitor) , 按其储能机理可分为电双层电容 (亦称双电层电容, Electrical Double-layer capacitor, EDLC) 以及法拉第准电容 (又称赝电容, pseudocapacitor) , 按电解质可分为水性电解质和有机电解质两种类型。

超级电容与传统电容、二次电池三种元器件的比较可见下表:

1 专利文献分析

主要针对VEN和CNABS两个数据库的统计情况进行分析。考虑到VEN数据库默认的BI联合索引包括AB、KW、TI三个字段, 在VEN数据库以“super w capacitor”、“ultra w capacitor”、“electrochemical w capacitor”、“electrical double w layer capacitor”“EDLC”“pseudocapacitor”进行检索, 以获得的结果作为统计的基础。在CNABS数据库中, 以“超级电容, 电双层电容、双电层电容、赝电容、法拉第准电容”为检索词进行检索, 以获得的结果作为统计的基础。

1.1 分类号分析

在VEN数据库对IPC以及CPC (Y部除外) 分类号进行了统计。国内和国际的专利申请涉及最多的三个分类号是:H01G9/058、H01G9/155和H01G9/00;H01G9/155、H01G9/058和H01M10/0525, 对应的内容为:双层电容器专用电极, 双层电容器, 电解电容器, 摇椅式锂电池。

1.2 发展态势

通过对超级电容器技术专利国外申请量、公开量年度趋势分析, 可以分析国际超级电容器相关领域整体的技术发展态势。

其中, 在1996之前由于申请量几乎没有, 限于篇幅在此未列, 综合上面的图表可以看出, 在此以专利公开量走势为例, 从1996年至今, 超级电容器产业发展可分为三个阶段:

(1) 逐步发展阶段 (1996-2004年) :本领域的专利年公开量逐年增长速度缓慢, 专利申请的数量及投入研究的竞争者不断增加。

(2) 快速发展阶段 (2005-2009年) :2005-2009年, 本领域专利公开量急剧增长, 从30件上升至98件, 专利申请的数量及投入研究的竞争者也急剧增加, 快速发展的特征十分明显。

(3) 技术成熟阶段 (2010年至今) :本领域专利年公开量迅速下滑, 由2010年的100件减少至2011年的81件, 2013年更减少到28件。从当前趋势上看, 未来公开量仍将保持下降态势, 这说明了超级电容器技术已日趋成熟。在没有重大的技术突破的前提下, 专利申请不会再大幅增加。

2 超级电容的关键技术

2.1 电极材料是关键

超级电容器与传统电容器的结构类似, 他们之间区别在于超级电容器的电极不仅包括用作作为集流体的金属箔, 还包括涂覆在金属箔材上的活性物质材料。

超级电容器的研究中, 最为关键的则是制备电极材料的技术[2]。当前研究的电极材料主要集中在三种类型:具有高比表面积的碳材料、金属氧化物、导电聚合物。在这几种材料中, 具有高比表面积的碳材料, 依靠其成本低、使用寿命久、制备工艺成熟, 故已经在超级电容器中进行了普遍运用。一般而言, 碳材料是由对煤、沥青、木材、椰壳和聚合物等材料加热碳化得到, 这些工艺流程基本成熟, 相关的专利申请均集中在预处理以及活化工艺。由于技术的进步, 应用的领域对超级电容器性能有更高的要求, 研究人员开始对一些新型的碳材料, 如碳纳米管、碳纳米棒、石墨烯、富勒烯的相关电化学性质进行了相关的试验和研究, 但由于技术、成本的问题, 目前应用这些材料制备电极还无法实现量产。

对于能量密度要求高的应用领域, 金属氧化物已经广泛应用于电池电极材料和氧化催化材料上, 并且金属氧化物具有资源广泛、价格低廉、对环境无污染的特点, 所以金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究比较炙热, 且获得了很大的进展。目前研究用于超级电容器的金属氧化物中主要包括氧化钌、氧化锰、氧化镍、氧化钛、氧化钒等, 其中氧化钌性能很强但由于成本过高未能广泛应用, 因而金属氧化物材料研究主要集中在锰、镍、钒等金属。

2.2 电解质是超级电容器性能的决定性技术

研究具有高电导率、高分解电压和宽使用温度范围的电解质是超级电容研究的重点。电解质的基本要求包括:1高电导率;2高分解电压;3使用温度范围宽;4纯度高、电极浸润性好;5不腐蚀或少腐蚀与其接触的任何部件。

2.3 隔膜是超级电容器的重要组成部分

隔膜是超级电容器的重要组成部分之一, 其性能的优劣在一定程度上决定了超级电容器性能的好坏, 隔膜的研究主要集中在材料的选择方面, 而具体的材料主要集中在树脂、玻璃纤维、无纺布、各种纤维素的混合物以及以上各种材料的混合应用, 通过选择合适的隔膜材料种类, 或者选择已有材料的孔径或纤维直径以及隔膜厚度, 或在已有材料基础上增加或掺入其他材料, 以达到降低超级电容器内阻、提高隔膜强度的目的。

3 针对超级电容器的专利案例分析

中国申请[CN102800486A]制备合适的碳化合物的水溶液作为碳颗粒源。该碳化合物要容易分解成碳, 并以水为无害副产物 (如蔗糖) 。可以使用水溶性酚树脂或其他相对低分子量碳化合物或聚合物。金属 (例如过渡金属) 盐 (例如硝酸镍、亚硝酸镍、氯化镍、乙酸镍、硝酸铁、氯化铁、亚硝酸铁、硝酸钴、氯化钴、乙酸钴和亚硝酸钴) 也溶解在该水溶液中以促进碳前体分解。胶体二氧化硅颗粒和原硅酸酯簇也分散在该水溶液中以充当介孔和微孔的模板。可以通过改变胶体二氧化硅颗粒和原硅酸酯簇的比率来获得具有不同孔隙结构的碳颗粒。例如, 较大量或比例的胶体二氧化硅会产生具有较多介孔和较大孔隙体积的碳颗粒;较大量的原硅酸酯簇会产生具有较高表面积和较小孔隙和孔隙体积的颗粒。

使用氮气作为雾化和载体气体, 由该水溶液及其悬浮的模板材料形成气溶胶微滴。连续生成的胶体气溶胶微滴携带在氮气流中并经过加热区, 在此水 (或其他溶剂) 蒸发且固体残留物转化成纳米级复合颗粒, 该颗粒通常为球形。该球形颗粒在离开加热区时收集, 将分离的颗粒进一步加热以在金属和含硅部分存在下碳化有机前体材料。蔗糖 (或其他含碳化合物) 因此原位转化成含有夹带的金属和氧化硅物类的石墨化碳。除去该金属并除去含硅的模板材料以产生具有高表面积和分级孔隙的多孔石墨碳颗粒。

所得石墨化碳颗粒通常是直径大约为50至300纳米的球形, 一些颗粒具有最多几 (大约5) 微米的直径。由于使用不同尺寸的氧化硅前体, 该碳颗粒具有分级的互联微孔和介孔。此类颗粒具有用于密堆积在电极材料层中和用于使液体电解质离子作为电极材料吸附在电化学器件上的优异性质。该合成方法容易针对这些独特的密堆积、高表面积、分级多孔碳颗粒的大规模生产在低成本下扩大规模。

4 超级电容器的技术发展趋势预测

4.1提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。提高电容器的容量和循环特性、降低成本一直是业界关注的问题, 就提高性能而言, 超级电容器的电极、电解质的改进是重点。

4.2从超级电容器的发展历史来看, 在2000年12月31日之前公开的专利文献中, 电池和超级电容器领域交叉的文献比例为23.7%, 之后到2006年12月31日之前公开的专利文献中, 电池和超级电容器领域交叉的文献比例达到43.3%, 可见超级电容器技术越来越与电池技术融合, 人们期望将来超级电容器能够代替电池作为储能元件, 兼具高能量和高功率的性能。

参考文献

[1]单金生, 吴立锋, 关永, 等.超级电容建模现状及展望[J].电子元件与材料, 2013 (8) :5-10.

聚吡咯超级电容器研究进展 篇7

1 超级电容器

目前, 对于超级电容器的研究主要集中在电解质和电极材料方面, 而电极材料发展更受诸多学者的青睐。根据充电和能量储存机理, 超级电容器电容一般包括双电层电容和赝电容两部分[2]。双电层电容通过充/放电时电极电势变化, 导致异性电荷在电极材料和电解质的界面之间吸/脱附, 引起双电层的出现/消失来实现储/放能的目的, 其电容量很大地决定于双电层的面积, 即电极的比表面积。所以该电极材料主要为活性炭、介孔碳、碳纳米管、石墨烯以及纳米结构的导电聚合物等具有高比表面的材料。进一步, 研究人员让电极材料能与电容器电解质发生可逆的氧化还原反应, 通过电化学反应的手段来实现大量储存电荷的目的, 即化学赝电容。一般使用存在变价的金属氧化物和具有掺杂/脱掺杂性导电聚合物作为电极材料。根据这两种储存机理, 寻找合适的电极材料使两者结合是制备性能优异电容器的关键。导电聚合物以其高比表面积, 具有掺杂/脱掺杂特性, 恰能满足要求。目前常用的有聚苯胺 (PANi) 、聚吡咯 (PPy) 、聚噻吩 (PTH) 以及其相应的衍生物等。

2 聚吡咯在超级电容器中应用

聚吡咯以其合成方便, 形貌可控, 导电率可调, 掺杂/脱掺杂, 化学性质稳定和环境友好成为赝电容型电极材料备受瞩目的选择。但其在掺杂/脱掺杂的过程中, 分子链收缩/膨胀致使分子链的断裂、破坏, 容易引起活性物质的减少, 导致电容器的载能量和寿命下降, 因此常需要进行改性。改性的方法一般有复合与采用骨架材料支撑等[3]。

2.1 聚吡咯的复合改性

目前, 聚吡咯复合电极材料主要通过与其他材料进行电化学沉积或化学原位聚合法制备。这些材料主要为具有变价能力的过渡金属氧化物, 如MnO2, RuO2等[4,5], 其中RuO2性能最为优越, 但由于钌价格昂贵而限制其使用范围。近年来, α-MnO2·nH2O因其价格便宜, 低毒性, 且具有较高比表面积和较宽的电位窗口而备受研究[6]。Sharma R K等[7]用0.1mol/L吡咯和0.2mol/LMnSO4在0.5mol/LH2SO4的电解液中, 以抛光石墨为工作电极、铂片为对电极、Ag/AgCl为辅助电极组成的三电极体系, 4mA·cm-2的恒电流进行200s共沉积聚合, 制得比电容为620F·g-1的MnO2/PPy纳米复合材料。Dong Zehua等[8]用对甲苯磺酸 (TSA) 为掺杂剂, 高锰酸钾作为氧化剂, 在0℃搅拌24h后制备了PPy/MnO2黑色粉末, 比电容为376F·g-1。比较这两种方法, 电化学法制备MnO2/PPy复合材料比电容相对要高。可能是电沉积过程使聚吡咯分子与MnO2颗粒镶嵌得更紧密, 电荷在相互之间传递的缺陷有所减少;而化学法制备MnO2/PPy复合材料中, 聚吡咯分子内或分子间与MnO2堆积时可能存在的缺陷, 形成电流无法通过的“死端”, 从而降低比电容。

2.2 聚吡咯的支撑改性

聚吡咯的支撑改性, 主要选择在碳材料等一些可支撑的模版上进行原位或电化学沉积聚合, 其中研究最多的是氧化石墨烯和碳纳米管。

氧化石墨烯 (GO) 因其独特的结构和性能被人们应用于诸多领域, 对PPy与GO的复合研究主要集中在电导率的提升和热稳定性的改进[9]。Han Yongqin等[10]在氧化石墨烯胶体溶液中保持反应温度为0~4℃内, 以过硫酸铵 (APS) 为氧化剂进行原位聚合, 12h后得到GO/PPy材料。结果表明, 当PPy的质量分数为20%时, 材料比电容为111F·g-1, 推算出PPy贡献的比电容为383F·g-1, 高于纯PPy的201F·g-1, 石墨烯有促进PPy分子利用率的作用。Chang Haohsiang等[11]则通过在8mg/mL GO、0.1mol/L吡咯溶液中, 采用金电极在电位为+0.8V (vs.Ag/AgCl) 沉积PPy/GO复合材料, 其比电容更达424F·g-1。

碳纳米管, 包括单层碳纳米管 (SCNTs) 和多层碳纳米管 (MCNTs) , 具有高的比表面积、导电率和良好的化学稳定性而成为超级电容器电极的热门材料。尽管未加工的碳纳米管的比电容只有100F·g-1, 但它却能很好的弥补导电聚合物不能忍受在长时间的充放电过程中引起体积变化的缺陷[3]。Sun Xiaofei等[12]在含有表面活性剂TOS (0.3mol/L) 的水溶液中将吡咯 (0.1mol/L) 与改性MCNTs (1wt%) 在钽电极上以1mA/cm2恒电流聚合PPy, 得到的PPy/F-MWNTs复合薄膜比电容为240F·g-1, 且1000次循环后比电容仍保留了93.49%。Fang Yueping等[13]通过脉冲电沉积的方法将聚吡咯包覆在MCNTs电极上, 得到自支撑的MWCNT-PPy薄膜, 比电容达到427F·g-1。

2.3 聚吡咯改性的新方法

近些年来, 随着纳米材料领域研究的深入, 一些新颖合成手段不断被人们使用。Dubal D P等[14]通过含有0.05mol/L吡咯和0.1mol/LNaNO3水溶液中, 用不锈钢电极沉积制备粒径在20~30nm聚吡咯纳米块, 其比电容达到476F·g-1, 且充放电效率高达89%。Zhang Jing等[15]通则过对比脉冲恒电流法 (PGM) 和恒电流法 (GM) 聚合, 其中PGM制备的PPy膜, 颗粒更小, 粒径更均一, 比电容更大为403F·g-1 (图1) 。

本课题组也对聚吡咯在超级电容器电极方面展开了一定的研究, 分别将吡咯和氧化剂FeCl3或 (NH4) 2SO4溶解于油相和水相中, 通过表面活性剂对溶液和两相界面进行改性, 再在特定条件下进行界面聚合, 得到了具有高比表面积聚吡咯薄膜。通过改变反应条件, 聚吡咯的三维结构显著可控。图2是部分的实验结果, 其中具有图2 (b) 结构的聚吡咯, 其比电容高达430.0F·g-1。

通过复合、制成改性制备新型聚吡咯衍生物, 以克服纯聚吡咯材料的不足, 其优越性能日益明显。随着依托聚吡咯制备的超级电容器电极材料比电容提升、比功率增大, 循环性延长, 聚吡咯超级电容器潜力巨大。

3 结语

在能源短缺的今天, 储能和能量转换问题愈发紧迫。超级电容器作为储能与换能设备的重要一员, 应用前景广阔, 但性能有待提升。聚吡咯以其简单易得, 高比电容, 高比能量在应用于超级电容器电极材料上有着独特的优势, 有望使超级电容器性能更加优异。但其循环寿命低, 电化学合成膜的自支撑性和剥离性差, 合成与制备工艺相对复杂, 仍需要进一步加强研究, 提升性能, 以期成为超级电容器家族重要成员。

摘要：聚吡咯以其制备简单、掺杂可逆、环境友好、导电率高、比电容大, 具有良好的成膜性近来备受关注。特别是在作为超级电容器、二次电池等换能设备电极材料领域中, 前景广阔。介绍了超级电容器的组成与工作机理, 总结了近年来通过以聚吡咯与金属氧化物的复合电极、碳材料支撑聚吡咯电极以及新型聚吡咯电极等制造聚吡咯超级电容器的进展。

美用黏土开发出高温超级电容器 篇8

“多年来, 研究人员一直想造出像电池和超级电容器这样能在高温环境下稳定工作的能源存储设备, 但由于传统材料本身性质的制约, 一直未能攻克难题。”莱斯大学材料科学家帕里柯·阿加恩说, “我们的革新是找到了一种能在高温下保持稳定的、非传统的电解质/隔离板系统。”

他们研究了欧洲和奥地利科学家于2009年开发的一种室温离子液 (RTILs) 。RTILs在室温下导电性较低, 但加热后黏度会降低而导电性提高。黏土具有很高的热稳定性、吸附能力和渗透性, 活性表面积也很大。通常用在石油钻探、现代建筑或钢铁铸造中。

研究人员把RTILs和自然界的斑脱土黏土等量混合, 制成一种混合胶, 将其夹在两层还原的氧化石墨中间, 上下再装两个集电器, 就成了一种超级电容器。经测试和电子显微图像显示, 这种材料被加热到200℃时也没有变化, 即使加热到300℃也只有很小的变化。

“材料的离子电导性在180℃之前几乎是直线增加, 然后在200℃时达到饱和。”论文领导作者、莱斯大学机械工程与材料科学系研究人员阿拉瓦·瑞迪说。测试还发现, 虽然在第一次充/放电中, 其容量有轻微下降, 但这种超级电容能稳定地通过1万次周期测试。在运行温度从室温提高到200℃后, 无论电能还是功率密度都提高了两个数量级。

这种新型超级电容器拥有最佳的电容性能, 能在几秒钟内充电而瞬间放电, 一般的充电电池是缓慢充电, 按照需要逐渐放电。理想的超级电容器能迅速充电、储电并按需放电。阿加恩说, 它们能在200℃甚至可能更高的温度下稳定工作。这对于在极端环境下使用的充电设备是非常有用的, 比如石油钻探、军队以及太空环境。

研究小组还将RTILs/黏土和少量热塑聚氨酯结合, 制成一种薄膜, 可以切割成不同的大小和形状, 灵活适应多种设备的设计。

超级电容器储能系统的功率实时控制 篇9

储能作为实现刚性电力系统柔性化调节的关键技术和实现具有随机非平滑输出特性的新能源柔性接入电力系统的关键设备,以及作为未来智能电网的重要组成部分,其在电力系统中的作用越来越重要[1,2,3,4]。超级电容器(UC)作为新型化学能储能技术,由于具有储能密度大、效率高以及可快速对所并联系统实施功率调节等特点,一直被电力领域研究人员所密切关注。综合国内外的相关研究可以看到,目前对UC储能技术的研究主要集中在其快速功率调节控制及在电力系统应用等方面。文献[5-7]基于电压源型变流器(VSC)工作原理进行了用于UC等储能系统功率调节控制策略的研究。文献[8]则利用UC的快速充放电特性,实现了变频器的低电压跨越。文献[9-10]研究了UC在光伏系统的应用及其对包含可再生能源电力系统小干扰稳定性的改善作用。文献[11-12]设计了基于UC储能系统的动态电压调节器,以实现在电压暂降、骤升以及三相不对称等运行条件下对负荷电压的调节。文献[13-15]进行了基于UC改善风电输出特性,提高并网风力发电机组稳定性的研究。

由于UC储能系统在电力系统的不同应用是以其对所连接电力系统实现快速准确的功率调节为基础,因此,如何提高UC的四象限快速准确功率调节,对于实现其在电力系统的应用具有重要的意义。本文从用于UC储能系统功率调节的VSC的时域数学模型出发,基于VSC的交流侧电流两相旋转坐标系的解耦控制,研究了用于提高UC储能系统功率跟踪动态特性的实时功率控制策略。同时设计了用于连接UC储能系统中UC和VSC接口的DC/DC变换器,并研究了利用UC充放电补偿VSC直流侧电压变化的控制策略。最后通过数字仿真验证了所研究的实时功率控制策略的正确性和可行性。

1 UC储能系统及其工作原理

图1为电力系统用UC储能系统的主电路拓扑结构示意图。图中,UC通过DC/DC变换器、VSC与电力系统连接。

当VSC的直流侧电压维持恒定时,在正确的脉宽调制技术控制下,VSC可以被看作是一个基波电压幅值和相位可控的三相电压源。通过其输出的调制电压和VSC电网侧电压共同作用于等效连接阻抗Zs,产生相位和幅值可控的三相电流ia、ib和ic,从而实现对VSC输入、输出功率的准确控制。同时,由于VSC输入、输出功率将导致其直流侧电容Cdc两端电压的变化,因此需要通过对DC/DC变换器的有效控制实现UC对udc恒定电压的补偿控制。

当对UC进行储能时,DC/DC变换器工作于降压模式,目的是将从电网中吸收的能量储存在UC中,同时避免VSC直流侧母线电压udc因输入功率所导致的电压上升,使其维持恒定;当UC释能时,变换器工作于升压模式,目的是补偿因VSC向电网输出功率所导致的直流母线电压udc下降,使UC能够通过VSC向电网输送功率。当VSC与系统之间无功率交换时,UC通过降压或升压模式补偿VSC直流侧母线电压udc因开关损耗引起的电压变化。

2 UC储能系统的功率实时控制

2.1 VSC交流侧电流的两相旋转坐标系解耦控制

图2所示为六脉冲VSC拓扑结构。

假设三相系统平衡并忽略开关器件的损耗,则根据基尔霍夫定律可以建立VSC的时域数学模型如式(1)和式(2)所示[5]。

其中,usa、usb、usc分别为电网三相电源相电压;ia、ib、ic分别为VSC交流侧的三相电流;idc为VSC直流侧母线电流;udc为VSC直流侧母线电压;Sa*、Sb*、Sc*为三相桥臂的开关函数,值为1代表A、B、C三相上桥臂各开关器件导通、下桥臂各开关器件关断,值为0则代表A、B、C三相下桥臂各开关器件导通、上桥臂各开关器件关断。

遵循功率不变的原则,同时考虑三相对称的条件,利用Park变换可进一步得到式(3)和式(4)所示VSC的同步旋转dq坐标系下的数学模型。

由式(3)可知VSC交流侧d、q轴电流分量分别为

式(4)中,d、q轴电流除受控制电压urd(等于Sdudc)和urq(等于Squdc)的影响外,还受耦合电压ωLiq、-ωLid和电网电压usd、usq的影响。由于仅对d、q轴电流进行负反馈控制不能消除d轴和q轴之间的电流耦合,因此无法利用对直流电压udc的脉宽调制来控制VSC的d、q轴电流分量。

如果在控制VSC输出电流的调制电压中引入电流状态反馈和电网电压的前馈补偿,即式(4)中的urd和urq控制量分别为urd=urd1+urd2+urd3,urq=urq1+urq2+urq3,其中,urd1=usd,urd2=ωLiq,urq1=usq,urq2=-ωLid,则对VSC的d、q轴电流分量控制呈现出式(5)所示的相互独立解耦的一阶惯性环节控制特性。

2.2 UC储能系统的四象限功率控制

式(5)同时表明,在电网电压Us和输入电抗一定的情况下,通过控制VSC交流侧的d、q轴的电压urd3和urq3,能够对变流器交流侧的d、q轴电流进行准确控制。urd3和urq3由电网和UC之间的交换功率确定,如式(6)所示。

其中,Us和Ur3分别为电网和VSC交流侧基波电压的幅值,Ur3=姨u2rd3+u2rq3,δ是Ur3和Us之间的功率角,Zs是反映VSC输入电阻R和电感L的阻抗,PUC和QUC分别是UC储能系统和电网之间交换的有功和无功功率。

根据前面所述的VSC交流侧电流解耦控制原理可知,通过在所确定的urd3和urq3控制分量基础上叠加电流状态反馈和电网电压的前馈补偿,即可实现图3所示的UC储能系统的功率实时控制。如图3所示,整个功率实时控制系统主要由基于PI控制的功率跟踪外环和电流内环2个控制器组成。

图中,外环控制器用于保持UC储能系统与电网交换的功率跟踪来自UC储能系统电力系统用控制器的功率指令值,以实现UC储能系统在电力系统中的应用。它主要依据UC储能系统的功率交换指令值与实际值之间的误差确定用于内环控制器输入的VSC交流侧的d、q轴电流控制分量id和iq。

电流内环控制器首先根据外环控制器的d、q轴指令电流和VSC交流侧实际d、q轴电流的偏差,经PI调节后形成用于控制VSC交流侧电流d、q轴分量的urd3和urq3。然后该控制量分别与引入的urd1、urd2和urq1、urq2控制分量叠加,根据式(7)所示正弦脉宽调制的调制电压信号的幅值M和相位α计算方法,确定用于实现VSC正弦脉宽调制的调制电压信号。

3 UC储能系统中的DC/DC变换器

DC/DC变换器是连接UC与VSC的桥梁,用于实现UC和电网之间的能量传递和转换功能。本文基于图4所示的非隔离型Buck-Boost电路进行了UC储能系统的DC/DC变换器设计[11]。

由图4可知,DC/DC变换器中各直流电流满足:

由于图1所示UC储能系统VSC直流侧电压udc恒定对于实现UC储能系统快速准确的四象限调节具有重要作用,因此由式(8)可知,对DC/DC变换器控制的关键是如何调节UC的充放电电流iUC。

DC/DC变换器的控制原理如图5所示[11]。图中,Udc_ref为高压直流侧电压给定值,Udc_ref与VSC直流侧电压udc的偏差通过电压调节器产生期望的VSC直流母线电流的控制信号idc。根据直流变换器占空比的定义和直流变换器功率守恒原理,可以由idc得到UC充放电电流控制指令iUC_ref,电流调节器的输出信号经脉宽调制产生DC/DC变换器开关器件VT2的控制信号,开关器件VT1的控制信号与VT2互补。通过VT1和VT2的导通实现UC的储能或释能,即当VT1导通、VT2关闭时,DC/DC电路处于Buck运行状态,VSC将系统的能量储能到UC中,同时维持高压直流侧电压的恒定;当VT1关闭、VT2导通时,DC/DC电路处于Boost运行状态,UC的能量通过VSC释放到系统中,同时维持高压直流侧电压的恒定。

4 仿真验证

利用PSCAD仿真软件对图1所示的UC储能系统进行仿真研究。仿真系统主要参数如下:VSC电网相电压幅值为100 V,频率为50 Hz,电网侧滤波电抗器电感L=0.005 H,电阻R=0.2Ω,超级电容器等效电容C=100 000μF,变流器GTO开关频率1.65 k Hz,直流高压侧电压值设定为700 V。功率跟踪外环控制器中的PI调节器参数为:kP=0.001,kI=0.15。电流内环控制器中的PI调节器参数为:kP=10,kI=0.5。

仿真过程设置如下:0~0.5 s,UC储能系统工作在VSC直流电压的稳压阶段;0.5~7.5 s,功率指令为P=15 k W,Q=-5 kvar;7.5~10 s,功率指令为P=-5 k W,Q=-2 kvar;10~12.5 s,功率指令为P=-4 k W,Q=10 kvar;12.5~16 s,功率指令为P=20 k W,Q=10 kvar。UC储能系统的四象限功率跟踪响应曲线如图6所示。

图6(a)描述了超级电容器有功、无功功率跟踪功率指令值的动态跟踪过程。图6(b)和图6(c)分别是有功功率和无功功率对各自功率指令的跟踪响应。由图6所示仿真结果可知,超级电容器在所研究功率调节方法的控制下能在四象限范围内快速跟踪外部有功功率和无功功率指令,具有响应速度快、调节特性好的特点。

图6所示UC储能系统的功率调节过程中,VSC直流母线电压和UC两端电压的响应过程分别如图7和图8所示。对比图6、图7和图8可知,UC两端电压及其内部储能变化与电网输入、输出功率的变化相对应,当UC储能系统从电网输入功率时,UC两端电压因储能增加而上升,当UC储能系统向电网输出功率时,UC两端电压因储能减少而降低,同时在整个功率跟踪过程中,VSC直流母线电压在DC/DC变换器的控制下保持恒定,使VSC能够准确跟踪功率指令。

图9是上述功率跟踪过程中,UC储能系统中VSC电网侧电流的响应过程。由图9(a)(b)可见,电流内环控制器能够根据功率外环控制器的指令快速准确地调节d轴和q轴电流。图9(c)是电网侧电流波形,由图可见,电网向UC提供能量的变化过程主要通过改变VSC电网侧电流的大小和方向来调节。

图10分别是UC储能系统中DC/DC变换器中的UC充放电流iUC、脉宽调制电流iPWM和VSC直流母线电流idc的动态响应过程。由图10可知,各直流电流的动态响应过程与系统中的功率和UC端电压的变化过程相对应,表明DC/DC变换器在调节UC储能的同时,有效地补偿了VSC直流母线电压的变化。

5 结论