超级电容器改善电源动态特性

1、超级电容器改善电源动态特性潘艳 宁武 陈永真辽宁工业大学 121001摘要：本文分析了现有电源存在的问题，提出了一种基于超级电容器的解决方案。介绍了bestcap®超级电容器的特性，通过实验比较了仅采用电池和电池与超级电容器组合后的电压电流波形，得出超级电容器与电池并联可以明显改善电源动态特性，提高电源的供电质量。关键词：超级电容器；电源；动态特性；供电质量Ultra Capacitor Improve Active Characteristic of Power Supply PanYan Ning Wu Chen YongzhenLiaoning University of Te

2、chnology 121001Abstract: Problems in existing power supply are analyzed in the paper. A better solution based ultra capacitor is put forward. The characteristics of bestcap® ultra capacitor are introduced. Voltage and current waves of battery that is only used and those waves of combined ultra

3、capacitors are given, indicated that active characteristic of power supply can be improved obviously by paralleling ultra capacitors and batteries, quality of power supply is heightened.Keywords: Ultra Capacitor；Power Supply；Active Characteristic；Quality of Power Supply1.前言电源可以分为电子电源（主要指电源电路）和电化学电源（

4、主要指电池），它们的供电能力都由设计电路限制。当要求电源提供短时高功率脉冲时，首先电子电源不能满足，而电化学电源也许能满足，但是即使满足其供电质量也会下降。那么，电源在不影响其供电质量的情况下能不能提供短时高功率脉冲呢？问题的解决方案可以是加大电源的输出功率，使其达到要求，但是这将导致电源体积变大，使电源变得笨重、成本提高，实现起来比较困难，可见这并不是好的解决方案。本文将通过以下论证，提出一种更好的解决方案。2.电源存在的问题由于电子电源本身不能作为提供短时高功率脉冲的电源，而电化学电源有可能提供短时高功率脉冲，故本文中的电源主要指的是电化学电源。电源动态特性的好坏主要有由电源内的等效串联电

5、阻（ESR）和等效串联电感（ESL）的大小及电化学响应过程的快慢决定。即ESR和ESL值越大、电化学响应过程越慢，频率响应越差，电源的动态特性越不好。反之越好。在这三个因素中ESR是最主要的因素。电源的ESR在有反馈回路时阻值很小，但在瞬态时阻值却变得很大。同时电源中的ESR也会影响电源的供电质量，供电质量主要是指精度和纹波。电源中的ESR越大，电源的纹波越大、精度越低，即供电质量越差，反之供电质量越好。由此可见，电源中的ESR的大小会同时影响电源的动态特性与供电质量。如果采用电池作为提供短时高功率脉冲的电源，电池的输出阻抗（内阻即ESR）高，而且其输出阻抗还随着温度、频率、电流等因素的变化而

6、变化，从而降低其供电质量，并使电池的动态特性变差。所以，可以通过减小负载端的电源的内阻的方法来改善电源的动态特性。但是有没有什么方法既能增大电源的输出功率，使电源能够提供高功率脉冲又能使电源的动态特性得到改善呢？ 3.解决问题的方法解决问题的方法是设计一个专门的电源提供短时高功率的脉冲。当采用原(不充电)电池为电子设备供电时，其中的一个局限性就是电池的功率容量，电池的功率容量不能提供短时高功率的脉冲。传统的解决电池容量问题的方法是使用高功率充电电池，用低功率原电池充电，即在电池的终端并联一个额外的充电电池，如图1所示。这将导致电池和最后成品的体积和成本的增加。但是如果能找到一个储能元件或电路，

7、其容量大并且其内阻比电池的内阻小很多，那么它与电池并联，可以增大电池的功率容量并且电池的内阻也可以忽略不计，即电池内阻的变化将不影响电源的供电质量，则这个新的电源即可以提供短时高功率脉冲又可以改善电源的供电质量，即改善电源的动态特性。其中的储能元件以采用超级电容器为最佳方案。超级电容器的最大特点就是可以高功率的短时放电，提供比电池高很多的短时极高功率电能（电源），即超级电容器可以短时提供极高功率的脉冲电能。同时由于现在的超级电容器不仅电容量大，而且其内阻也很低。例如，AVX公司生产了一系列bestcap®超级电容器，这一系列超级电容器都具有额定电压高，内阻小，频率特性好的特点，其中B

8、Z025A404Z_B型号的bestcap®超级电容器可以达到额定容量400mF、额定电压5.5V、内阻的典型值为35m，最大值为42 m。可见，现在的超级电容器的内阻比电池的内阻小很多。因此，将bestcap®超级电容器作为储能元件，与电池并联作为电源供电，如图2所示，这样可以很好地解决电源供电质量与电源功率的矛盾。这是专门释放短时高功率脉冲的电源。4. bestcap®超级电容器的特性bestcap®超级电容器是AVX公司生产的一系列超级电容器，它具有电容量大、额定电压高、等效串联电阻小、阻抗频率特性好的特点。AVX的bestcap®技术，

9、提供了良好的电源脉冲特性，其中包括高电容量，超低的ESR和非常低的漏电流值。bestcap®超级电容器不但具有高电容量的优点，而且其电容量在温度变化时，具有很好的稳定特性。如图3所示，图3是bestcap®超级电容器的电容量随温度变化的曲线。其超低的ESR，可以将瞬间电压压降减小到最小。如图4、5 所示，图4为bestcap®超级电容器ESR随温度变化的曲线，图5为bestcap®超级电容器ESR的频率特性曲线。bestcap®超级电容器的ESR限制放电电流的大小。bestcap®超级电容器可以使短电流的脉冲宽度小于几百毫秒。同时be

10、stcap®超级电容器对长达100ms的脉冲持续时间能产生足够低的电压压降并且在低温度(-20)条件下也能有足够低的电压压降。5.实验结果bestcap®超级电容器用于电池并联中，可以改善电压特性和大电流脉冲，如图6所示，同时提高了效率和延长了电池的使用时间。由于 bestcap®超级电容器与电池并联一起给短电流脉冲提供的电压比单由电池提供的电压高，如图7所示，所以可以提高功率放大器的效率。另外, 由bestcap®超级电容器提供的比电源电压高的电压能保持电压脉冲高于关断电压的时间比单由电池作用的时间长。图7（a）（在+25条件下测试）和图7（b）（在0

11、条件下测试）中的数字表明了使用时间的增加。6.结论由上述的实验结果可以看出，由于bestcap®超级电容器，具有电容量大、额定电压高、等效串联电阻小、阻抗频率特性好的特点，所以当bestcap®超级电容器与电池并联一起作为电源给负载供电时，可以改善电源的动态特性，提高电源的供电质量。参考文献：（1）陈永真电容器原理及其应用科学出版社，2005 10，217218（2）方伟新，吴森，宗杨超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进J 客车技术与研究，2005(5) 1114.（3）陈永真超级电容器原理及应用C/中国电源学会第15届全国技术论文集上海：中国电源学会，2004 499502作者简介潘艳，女，1982年生，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。通讯地址：辽宁省锦州市古塔区士英街169号 辽宁工业大学 邮编：121001。宁武，男，1980年生，讲师，硕士研究生，