電源管理解決方案:混合電容器的恒壓(CV)脈衝充電(上)

可充電儲能電容器由於其靈活性、低維護要求和總成本較低而受到市場矚目。對於緊湊型應用,傳統電解電容器提供有益於環保的可選方案,並提供寬額定電壓範圍。但在輸出要求超過幾百毫瓦的情況下,它們會很快達到儲能極限。雙電層電容器(EDLC)提供高功率、高能量密度和長工作壽命,但與電池一樣,其工作電壓較低。電子系統要求在這些技術之間達成平衡,也就是既具有傳統電池與雙層電容器的優點,又沒有其缺陷。混合式 ENYCAP™ 196 HVC 電容器能夠提供這一性能。為充分發揮產品性能,必須使用可靠的充電解決方案。本文指出恒壓(CV)脈衝充電是最經濟有效的解決方案。

 

混合電容器技術與性質   

混合系統結合了靜電儲能和感應儲能方法,因此有可能實現更快於電池的充電速度。混合電容器系統的功率密度可輕易超過電池,且能量密度顯著高於雙層電容器。由於使用感應儲能方法,所以混合電容器的工作電壓範圍較窄,與電池相似。雖然這種電壓穩定性在許多應用中是有益的,但必須注意電容器電壓和電流管理,以便在長工作壽命內保持最佳性能。  絕不能超過最大電芯電壓。因此,為了獲得最長使用壽命,電源管理必須確保工作電壓絕對精確地處於規定的毫伏範圍之內。   另外還要考慮流過混合電容器的電流與感應轉換過程具有部分相關性。由於這些過程需要一定時間,所以在充電和放電時必須使最大允許電流保持一段時間。   

混合電容器的自放電顯著低於雙電層電容器。例如,ENYCAP 196 HVC 的自放電水準低於 5%/天。  由於感應儲能過程總包括一些物質轉換,所以顯然必須避免過度充電。即便 ENYCAP 196 HVC 在此方面具有短時耐受力,但必須考慮在長時段內,如果沒有合適的控制措施,即使低充電電流也會使電容器過度充電。  混合電容器的迴圈壽命性能優於電池。例如,ENYCAP 196 HVC 能夠實現 5 萬次以上迴圈。  

 

關於恒壓脈衝充電的總述  

 對於要求儲能器件持續處於高荷電態的應用,例如後備系統,建議使用恒壓脈衝充電法(PCM)。脈衝充電法可在相當簡單的電源管理環境中實現,並確保混合儲能元件在建議限值與條件範圍內安全工作。   脈衝充電是補償自放電並避免經常或持久過充的首選方法,能大幅改善儲能系統的使用壽命。  脈衝充電(或稱間歇充電)可利用由計時器控制的恒壓源來實現。電壓源需要進行準確調節,以適應儲能系統的充電電壓。典型的工作套裝程式含五個步驟(見圖 4):

1.初次充電步驟確保有充足的電能供下一次後備操作(荷載)使用

2.通過檢測儲能元件的開路電壓(OCV)檢查可用電能

3.監測健康狀態(SOH)

4.施加充電脈衝,以補償自放電和後備荷載

5.從第2步重新開始

 

第 2-5 步補償自放電效應並通過這種涓流充電使儲能元件保持健康狀態,同時還維持更長的時間。

 

標稱電壓 

ENYCAP 196 HVC 儲能電容器由一個或更多獨立電芯組成,各個電芯的額定電壓 UR 為 1.4 V。 因此,每個混合儲能電容器為 X 個電芯以串聯方式配置,額定電壓 UR 為 X*1.4 V。

 

恒壓充電 

恒壓脈衝充電 : 恒壓充電是指通過在儲能器件的端子上施加恒定電壓 UCVcharge 進行充電的方法。對於恒壓脈衝充電法,充電時間另外還受開關 SW1 的限制,而 SW1 由適當的演算法控制。

對於所考慮的系統與電壓,由此產生的充電電流 Icharge 取決於儲能元件的荷電狀態(SOC)。荷電狀態越低,充電電流 Icharge 一般越高。

 

依據歐姆定律可判定:

1.荷電狀態越低,充電電流 Icharge 越高

2.施加的電壓 UCVcharge 越高,充電電流 Icharge 越高

根據第 1 點,充電電流會隨著荷電狀態升高而減小。這是一種負面效應,因為充電時間會因為充電電流減小而延長。根據第 2 點,UCVcharge 增加時 Icharge 也會增加,並因此縮短充電時間。但只要施加了源電壓,UCVcharge 升高就會導致高殘餘充電電流。所以必須確保系統在滿充後不會過度充電。 最大充電電流通常由儲能元件的類型和尺寸而定。

 

ENYCAP適用以下參數: 

針對 UCVcharge 增加的安全區已得到考慮,並且列於“充電電壓”部分的表 2。

 

充電電壓(具有溫度補償)

正確的充電電壓依賴溫度條件(見圖 1)。

 

溫度影響充電電壓的原因有二:

1.電化學反應依賴溫度條件

2.電芯的內阻會隨溫度變化而變化

 

這兩個效應導致每個電芯具有 -1mV/1°C 的線性電壓相依性。



充電電壓的溫度補償是一個優勢,可確保在寬溫度範圍內的全功能工作,但不是每個應用都必須這樣做。

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