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超级电容储能模块设计
电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。
近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益
增加。可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越
特点普遍应用在各行各业。但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能
差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来
越无法满足人们对储能系统的要求。
超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电
电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力[1，2],单体的容量目前已经做
到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、
容量配置灵活、环境友好免维护等优点。自 1957 年美国人 Becker 发表第一篇关于超级电
容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、UPS 等应用方向进
行研究，目前已开发出了 50kVA 和 80kVA 的实验样机[3]；利用超级电容器配合蓄电池作为
辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率[4]，并出现了超级电容混合动力汽车[5]。
随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部
分取代传统蓄电池。
本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代 12V 蓄电池的超级电容模块，通过计算分析
得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量。该模块具有寿命长，
不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景。
一、 超级电容储能模块的设计
由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压 ，所以单体超级电容的能量为
，其中 C 为超级电容的单体电容量， 为单体超级电容充电
完成的电压值。
超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电
容的使用范围。而通过相应的 DC-DC 芯片可以提高超级电容的最低工作电压。假设超级电
容以 m 个串联，n 组并联的方式构成。则每个超级电容的能量输出为
(1)
其中 ， 为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为
， 为超级电容的总能量。
本文采用 SU2400P-0027V-1RA 超级电容，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联
电阻（ESR（DC）=1mΩ）。为了构成替代 12V 蓄电池的超级电容模块，我们采用 8 个
2400F/ 的电容构成模块，采用 4 个超级电容单体串联，两组