电源提示：确定高压储能系统中的电容

电容储能 是指利用电容器的储存电能的技术。 电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容，其主要形式为超级电容储能，超级电容储能装置主要由超级电容组和双向DC/DC变换器以及相应的控制电路组成。其技术核心在于超级电容器组内部的均压拓扑和控制策略以及双向DC/DC变换器的拓扑结构与控制策略。 电容储能已经广泛应用于电动汽车，风光发电储能，电力系统中电能质量调节，脉冲电源等。

高压电容储能通常为重复性大功率脉冲负载提供电力，例如相机闪光灯或无线电发射器。存储电容器向负载提供短暂的高功率突发能量，但随后允许在更长的时间段内缓慢充电。它们的好处通常包括较低的平均输入电流，从而降低了对输入源的要求并减小了转换器功率级的尺寸。但是存储电容器可能非常大，因此准确确定所需的电容以最小化它们的尺寸是有益的。让我们看看如何确定所需的电容量。

超级电容器串联电压均衡方法可以分成两大类 ：一类是通过阻性器件消耗能量的方式，如稳压管法和开关电阻法；另一类是通过储能器件进行能量转移的方式，如DC/DC变换器法等。稳压管法和开关电阻法通过消耗能量达到电容器的电压平衡，必然会降低超级电容器储能系统的效率，而且当超级电容器的充电电流较大时，采用稳压管或者开关电阻法将很难达到电压均衡的要求，一方面大功率的阻性器件增大了体积，不便安装，另一方面消耗的能量增加，温度过高将给储能系统带来安全隐患，降低了系统的可靠性。此外，稳压管法和开关电阻法只能在充电的过程中实现电压均衡，具有一定的局限性。能量转移型电压均衡方法采用储能器件进行电压均衡，是目前超级电容器串联电压均衡技术的发展方向。

对储能电容放电的负载可分为三种类型：恒功率、恒流或阻性。图 1 显示了每种类型如何以 69W 的初始负载对充电至 32V 的独立 3400µF 电容器进行放电的示例。恒定功率负载，相当于开关稳压器的负载，随着电容器电压的降低而增加其电流消耗，进一步加速电压衰减。更糟糕的是，开关稳压器的效率也会影响放电速率。随着输入电压的降低，升压等转换器的效率通常会降低，从而消耗更高的功率。恒功率是三种类型中最苛刻的，需要的电容也最多。

图 1：存储电容器的放电率很大程度上取决于负载类型

恒定电流负载提供线性放电斜率。这使得预测电容器的“结束”电压相对容易。从存储电容器汲取的功率随着其电压的降低而降低，并且只有某些类型的负载具有这些特性。恒流负载的示例包括集成电路或恒流 LED 驱动器等应用，其电流由线性稳压器调节。

电阻负载具有指数衰减的电压和最长的保持时间。电阻负载类型是三者中最不常见的。示例包括白炽灯泡、加热元件或有源负载。

知道负载类型后，我们可以使用公式 1、2 和 3 来确定给定保持时间所需的存储电容。根据图 1 中的曲线，恒功率负载（例如 12V 降压稳压器）可以运行约 21mS，然后失控。或者，在需要充电之前，恒定电流负载可以支持至少 16V 持续 25mS。如果我们需要稳压器来提供固定的输出电压，请务必考虑其效率，因为它会缩短保持时间。等式 1、2 和 3 是：

其中是时间后的最终电容器电压，t；是初始电容电压；是放电时间；是负载电流；是存储电容；是功率；是阻力。

具有重复脉冲负载的能量存储需要了解负载类型及其对存储电容器放电率的影响。这使我们可以选择适当的电容器组大小以实现必要的时序。高压电容存储提供了一种有效的方法来提供大的、持续时间短的能量脉冲。