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1 引言
采用電化學(xué)雙電層原理的超級電容器——雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor; EDLC)，也叫功率電容器(PowerCapacitor)，是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲能裝置。超級電容器集高能量密度、高功率密度、長壽命等特性于一身，具有工作溫度寬、可靠性高、可快速循環(huán)充放電和長時間放電等特點[1]，廣泛用作微機(jī)的備用電源、太陽能充電器、報警裝置、家用電器、照相機(jī)閃光燈和飛機(jī)的點火裝置等，尤其是在電動汽車領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用已引起舉世的廣泛重視[2]。
超級電容器的儲能原理不同于蓄電池，其充放電過程的容量狀態(tài)有其自身的特點。超級電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。由于超級電容器一般采用恒流限壓充電的方法，本文主要分析恒流充電條件下的超級電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制最高電壓為Umax，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。采用這種充電方法的優(yōu)點是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級電容器內(nèi)部高溫而影響超級電容器的容量特性。
對于多孔碳材料做極化電極的超級電容器，其存儲電荷的電容C與碳材料的表面性質(zhì)緊密相關(guān)，其中多孔碳電極的比表面積和微觀孔徑尺寸分布是影響超級電容器雙電層容量的重要因素[10]。
試驗中，分別利用電流為10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A對同一超級電容器進(jìn)行恒流充電，并測量電容器的電容，結(jié)果如圖4所示。
圖4 超級電容器恒流充電容量變化圖
在動態(tài)工作情況下，用線性函數(shù)擬合來預(yù)測超級電容器在任意工作電流水平點對應(yīng)的超級電容器靜電容量C值。利用Matlab對獲取的電容值進(jìn)行3階擬合，對應(yīng)函數(shù)為f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如圖4所示，超級電容器的容量隨充電電流的增加而下降。結(jié)合超級電容器的內(nèi)部構(gòu)成分析，超級電容器的轉(zhuǎn)換效率和有效容量，受其有效內(nèi)阻和充放電電流的影響，要使其貯能量最大化，就要使容量最大化，即要求電極表面積最大化和雙電層厚度的最小化。在充電過程中，充電電流密度影響著電極極化反應(yīng)的比表面積和微孔傳輸反應(yīng)粒子、離子電荷的速度，并因充電電流增大，碳電極的有效反應(yīng)表面和微孔利用率減小而導(dǎo)致容量降低。
3.4 基于阻抗分析的電壓變化
利用超級電容器等效的RC網(wǎng)絡(luò)電路，在復(fù)數(shù)域建立其等效電路方程，由Laplace變換和卷積運算獲取等效電路的阻抗綜合函數(shù)。
在復(fù)數(shù)域上，該電路的復(fù)數(shù)阻抗Z(s)與電壓U(s)的關(guān)系表示為：
由于超級電容器一般采用恒流限壓充電的方法，本文主要分析恒流充電條件下超級電容器的電壓變化情況。分別利用恒流I=20A，50A，100A對同一超級電容器進(jìn)行充電測試，記錄其電壓變化，并將實際曲線變化與理論電壓變化曲線進(jìn)行比較。
對比試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可知(圖5)，小電流充電時，卷積運算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的一致性較好，電流和電壓的變化趨勢與實際超級電容器的充電變化相一致，證明了RC等效電路能夠較好的表示超級電容器的特性。從阻抗角度分析，參數(shù)R和C對仿真結(jié)果的影響不同，參數(shù)R只改變開始時的電壓突變，不影響線性部分的斜率，而參數(shù)C 決定著線性部分的斜率，影響著它與實際試驗數(shù)據(jù)的逼近程度。
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