總述
可充電儲能電容器由于其靈活性、低維護要求和總成本較低而受到市場(chǎng)矚目。
對于緊湊型應用，傳統電解電容器是有益于環(huán)保的可選方案，并提供寬額定電壓范圍。但在輸出要求超過(guò)幾百毫瓦的情況下，它們會(huì )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(cháng)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(shù)之間達成平衡，亦即既具有傳統電池與雙層電容器的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有其缺陷�；旌鲜紼NYCAP™ 196 HVC電容器能夠提供這一性能。為充分發(fā)揮產(chǎn)品性能，必須使用可靠的充電解決方案。本文指出恒壓（CV）脈沖充電是最經(jīng)濟有效的解決方案。
混合電容器技術(shù)與性質(zhì)
混合系統結合了靜電儲能和感應儲能方法，因此有可能實(shí)現更快于電池的充電速度�；旌想娙萜飨到y的功率密度可輕易超過(guò)電池，且能量密度顯著(zhù)高于雙層電容器。
由于使用感應儲能方法，所以混合電容器的工作電壓范圍較窄，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(cháng)工作壽命內保持最佳性能。
絕不能超過(guò)最大電芯電壓。因此，為了獲得最長(cháng)使用壽命，電源管理必須確保工作電壓絕對精確地處于規定的毫伏范圍之內。
另外還要考慮流過(guò)混合電容器的電流與感應轉換過(guò)程具有部分相關(guān)性。由于這些過(guò)程需要一定時(shí)間，所以在充電和放電時(shí)必須使最大允許電流保持一段時(shí)間。
混合電容器的自放電顯著(zhù)低于雙電層電容器。例如，ENYCAP 196 HVC的自放電水平低于5%/天。
由于感應儲能過(guò)程總包括一些物質(zhì)轉換，所以顯然必須避免過(guò)度充電。即便 ENYCAP 196 HVC在此方面具有短時(shí)耐受力，但必須考慮在長(cháng)時(shí)段內，如果沒(méi)有合適的控制措施，即使低充電電流也會(huì )使電容器過(guò)度充電。
混合電容器的循環(huán)壽命性能優(yōu)于電池。例如，ENYCAP 196 HVC能夠實(shí)現5萬(wàn)次以上循環(huán)。
關(guān)于恒壓脈沖充電的總述
對于要求儲能器件持續處于高荷電態(tài)的應用，例如后備系統，建議使用恒壓脈沖充電法（PCM）。脈沖充電法可在相當簡(jiǎn)單的電源管理環(huán)境中實(shí)現，并確�；旌蟽δ茉诮ㄗh限值與條件范圍內安全工作。
脈沖充電是補償自放電并避免經(jīng)�；虺志眠^(guò)充的首選方法，能大幅改善儲能系統的使用壽命。
脈沖充電（或稱(chēng)間歇充電）可利用由定時(shí)器控制的恒壓源來(lái)實(shí)現。電壓源需要進(jìn)行準確調節，以適應儲能系統的充電電壓。
典型的工作程序包含五個(gè)步驟（見(jiàn)圖4）：
1. 初次充電步驟確保有充足的電能供下一次后備操作（荷載）使用
2. 通過(guò)檢測儲能元件的開(kāi)路電壓（OCV）檢查可用電能
3. 監測健康狀態(tài)（SOH）
4. 施加充電脈沖，以補償自放電和后備荷載
5. 從第2步重新開(kāi)始
注： 第2-5步補償自放電效應并通過(guò)這種涓流充電使儲能元件保持健康狀態(tài)，同時(shí)還維持更長(cháng)的時(shí)間。
標稱(chēng)電壓
ENYCAP 196 HVC儲能電容器由一個(gè)或更多獨立電芯組成，各個(gè)電芯的額定電壓UR為1.4 V。
因此，每個(gè)混合儲能電容器為X個(gè)電芯以串聯(lián)方式配置，額定電壓UR為X * 1.4 V。
恒壓充電
恒壓脈沖充電
恒壓充電是指通過(guò)在儲能器件的端子上施加恒定電壓UCVcharge進(jìn)行充電的方法。對于恒壓脈沖充電法，充電時(shí)間另外還受開(kāi)關(guān)SW1的限制，而SW1由適當的算法控制。
對于所考慮的系統與電壓，由此產(chǎn)生的充電電流Icharge取決于儲能元件的荷電狀態(tài)（SOC）。荷電狀態(tài)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(tài)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(diǎn)，充電電流會(huì )隨著(zhù)荷電狀態(tài)升高而減小。這是一種負面效應，因為充電時(shí)間會(huì )因為充電電流減小而延長(cháng)。根據第2點(diǎn)，UCVcharge增加時(shí)Icharge也會(huì )增加，并因此縮短充電時(shí)間。
但只要施加了源電壓，UCVcharge升高就會(huì )導致高殘余充電電流。所以必須確保系統在滿(mǎn)充后不會(huì )過(guò)度充電。
約束條件
所有類(lèi)型的儲能元件都要求下列參數保持在規格范圍之內：
• 最大和最小充電電壓
• 最大充電電流
• 荷電狀態(tài)：必須限制充電量Q = ∫ Icharge * dt，以免過(guò)充
• 溫度
充電電流
Q = ∫ Icharge * dt 應當加以限制，以避免過(guò)充（> 100 %荷電狀態(tài)）。這樣即可實(shí)現由定時(shí)器控制的間歇或脈沖充電法。
該過(guò)程還會(huì )限制極低殘余充電電流在長(cháng)時(shí)間內的負面影響，并確保產(chǎn)品具有最長(cháng)的使用壽命。
待充電量可由充電源的“ON時(shí)間”控制。需要按照產(chǎn)品規范選擇需要的電量Q = ∫ Icharge * dt。
最大充電電流通常由儲能元件的類(lèi)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，并且列于“充電電壓”部分的表2。
充電電壓（帶溫度補償）
正確的充電電壓依賴(lài)溫度條件（見(jiàn)圖1）。
溫度影響充電電壓的原因有二：
1. 電化學(xué)反應依賴(lài)溫度條件
2. 電芯的內阻會(huì )隨溫度變化而變化
這兩個(gè)效應導致每個(gè)電芯具有-1 mV / 1 °C的線(xiàn)性電壓相依性。
圖1 – 充電電壓是溫度的函數
表2顯示了20 °C時(shí)標準配置的正確充電電壓。
充電電壓的溫度補償是一個(gè)優(yōu)勢，可確保在寬溫度范圍內的全功能工作，但不是每個(gè)應用都必須這樣做（見(jiàn)下節內容）。
充電電壓（無(wú)溫度補償）
ENYCAP 196 HVC混合儲能電容器沒(méi)有溫度補償也能充電。這些情況下應考慮一些約束條件，以便在必須支持極寬溫度范圍時(shí)延長(cháng)使用壽命。
如果充電電壓完全不可調節，則應設置充電的上限電壓及溫度限值；通�？稍O置為每電芯1.4 V和60 °C（圖2）。
在較低溫度時(shí)使用該固定電壓進(jìn)行充電不會(huì )損害電芯。但在較低溫度時(shí)，充電效率降低且混合電容器無(wú)法滿(mǎn)充。
圖2顯示了在僅能提供每電芯1.4 V充電電壓情況下的局限。
圖2 – 每電芯1.40 V充電電壓與溫度的關(guān)系
如能提供兩種或三種充電電壓，則有可能在整個(gè)溫度范圍上實(shí)現逐步逼近（見(jiàn)圖3）。
圖3 – 三種電壓情況下的逐步逼近
脈沖充電法
流程圖
圖4 – 使用脈沖充電法的后備系統的工作流程圖
開(kāi)路電壓檢查
必須定時(shí)測量開(kāi)路電壓（OCV）。如果每個(gè)電芯的開(kāi)路電壓低于1.29 V，則必須施加初次充電循環(huán)（見(jiàn)圖1）。
每秒測量一次已經(jīng)足夠。根據電路情況，增加測量次數會(huì )造成額外的漏電流，應避免出現這種情況。
正常工作/維護充電
短時(shí)充電脈沖（通常每隔約6-12小時(shí)持續1-3分鐘）會(huì )使混合電容器充電并補償自放電（典型性質(zhì)見(jiàn)圖5，示例見(jiàn)圖6）。
控制維護充電及充電量的最簡(jiǎn)單方法是使用定時(shí)器。每個(gè)充電脈沖過(guò)后，OVC將在“源OFF”階段期間“休息”（relax）。
這種脈沖充電（或稱(chēng)間歇充電）模式是可能的，因為ENYCAP 196 HVC混合電容器的電荷保持力（低自放電率）優(yōu)于傳統雙電層電容器。
圖5 – 典型的維護充電 – 充電脈沖使荷電狀態(tài)處于定義的高水平。OVC 休息取決于荷載情況和自放電。對于典型的后備應用，荷電狀態(tài)必須高到足以滿(mǎn)足電能需求。
關(guān)于總工作時(shí)間，非常短的充電周期可增加充電效率和最小化總過(guò)充電量。間歇或脈沖充電使用這些優(yōu)勢來(lái)最大化儲能元件的壽命。70%以上的荷電狀態(tài)足以滿(mǎn)足應用的額定及規定電能需求。
對于一個(gè)電芯，這個(gè)值是115 J / HVC 90 F、17.5 J / HVC 15 F和4.1 J / HVC 4 F。
該可用電量能夠維持最高壽命、循環(huán)穩定性及快速充電能力。
圖6中的例子是196 HVC 90 F 4.2 V，在維護充電模式下工作25天（45°C）。維護充電脈沖使混合儲能元件充滿(mǎn)電并補償自放電。
圖6 – 196 HVC 90 F每12個(gè)小時(shí)進(jìn)行維護充電1分鐘（45 °C）
圖6a – 6小時(shí)后的首個(gè)維護充電脈沖（1分鐘）（90 F 4.2 V系統示例）
每天充電5%已經(jīng)足夠且不會(huì )使混合電容器因過(guò)充而加速老化。必須考慮可能產(chǎn)生的額外漏電流。建議在電芯電壓降至低于1.29 V時(shí)進(jìn)行充電，以便使荷電狀態(tài)快速回到目標水平。這可通過(guò)施加一個(gè)額外的“初次充電”循環(huán)而實(shí)現（見(jiàn)“初次充電”章節）。這種由電壓觸發(fā)的充電是一個(gè)安全特性，可確保足夠高的荷電狀態(tài)。
1.29 V的電壓值與溫度無(wú)關(guān)。開(kāi)路電壓值低于1.29 V的狀態(tài)的一個(gè)例子是在意外高溫時(shí)的自放電增加。
初次充電
當充電量超過(guò)標稱(chēng)電量的5%時(shí)就需要初次充電。圖4流程圖中的5-15分鐘“ON時(shí)間”是恒壓充電的典型時(shí)間范圍，具體取決于應用的電能需求。
初次充電可使混合電容器足以滿(mǎn)足下次使用的要求。如果所需電能顯著(zhù)少于規定的每電芯115 J（例如90 F電芯），則可減少“ON時(shí)間”。
在后備使用之后或在系統停電幾天或幾星期之后很可能需要初次充電。
圖7 – 典型的加電和正常工作周期。需要進(jìn)行初次充電來(lái)建立正常工作所需的目標荷電狀態(tài)水平。
另外，在儲存后的系統首次加電時(shí)也建議完成一個(gè)初次充電循環(huán)。在此情況下，首次充電步驟亦稱(chēng)“條件”充電。在長(cháng)期儲存之后，混合儲能元件可能處于未定義的荷電狀態(tài)。所以第一步先充電很重要。
圖8中例子顯示了HVC 90 F 4.2 V系統在快速充電模式下的初次充電。5分鐘即可為下一次后備使用充入足夠多的電量，無(wú)需過(guò)充。由于其具有良好的電荷保持力，有可能幾小時(shí)后才需要利用短時(shí)維護充電脈沖進(jìn)行再次充電。
典型情況為15分鐘的“ON時(shí)間”�！癘N時(shí)間”必須足夠長(cháng)，以便ENYCAP 196 HVC儲能系統有足夠的電能完成接下來(lái)的工作周期（例如后備應用）。
圖8 – 初次充電的前15分鐘（90 F 4.2 V系統示例）
總結
建議使用簡(jiǎn)單的定時(shí)器控制恒壓方法進(jìn)行間歇式充電，以保證ENYCAP 196 HVC混合電容器的最佳性能和長(cháng)使用壽命。
目標是維持高荷電狀態(tài)，以便滿(mǎn)足后備應用的需要，同時(shí)最小化不必要的過(guò)充。
在后備應用之后，由于創(chuàng )新的混合式化學(xué)電芯，可快速對儲能元件進(jìn)行充電。
如果需要更多電能來(lái)提供可靠的后備支持，ENYCAP 196 HVC電容器是理想的解決方案。 |
