基于超級(jí)電容的直流不間斷電源設(shè)計(jì)

聞 超，邱瑞昌，趙曉紅，韓嘯一（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

在各種UPS中一般采用可充電蓄電池作為后備電源。UPS往往是在電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落最初的幾秒、幾分鐘起決定作用，蓄電池在這段時(shí)間內(nèi)提供電能。由于蓄電池存在使用壽命短、需要定期維護(hù)、對(duì)環(huán)境溫度敏感等缺點(diǎn)，UPS在運(yùn)行中需要時(shí)刻注意蓄電池的狀態(tài)，不能大電流充放電，不能帶感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)）等。可以說(shuō)蓄電池自身的缺點(diǎn)是限制UPS應(yīng)用領(lǐng)域和使用壽命的主要原因。

超級(jí)電容器是近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。它具備傳統(tǒng)電容器的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力。容量可達(dá)數(shù)千法拉，與可充電蓄電池相比，超級(jí)電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。

本文設(shè)計(jì)了一種基于超級(jí)電容的直流UPS，功率為100 W，主要由整流器、濾波器、超級(jí)電容器組、充放電電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 超級(jí)電容器的特性

超級(jí)電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。當(dāng)電極和電解液接觸時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的兩層電荷，稱為界面雙電層[1]。這種電容器的儲(chǔ)能是通過(guò)使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并沒(méi)有產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種較佳的儲(chǔ)能元件，與蓄電池相比其巨大的優(yōu)越性表現(xiàn)為：（1）比功率高，可達(dá)300～5 000W/kg，相當(dāng)于蓄電池的5～10倍。（2）充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，可大電流充放電。超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命可達(dá)萬(wàn)次以上。而目前常用的密封式鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命只有幾百次，使用壽命大約為3～5年。（3）充電時(shí)間短。超級(jí)電容完全充電只需數(shù)分鐘甚至幾十秒鐘；而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)才能完成充電。（4）免維護(hù)。超級(jí)電容的維護(hù)工作極少，可實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)，而蓄電池所謂的“免維護(hù)”僅指使用期間無(wú)需加水，在實(shí)際工作中仍必須進(jìn)行定期維護(hù)。（5）對(duì)工作環(huán)境溫度不敏感。超級(jí)電容器正常工作時(shí)的溫度范圍為-40～65℃，而蓄電池則對(duì)溫度的要求較高，標(biāo)準(zhǔn)使用溫度為25℃，一般不能超過(guò)15～30℃的范圍。（6）檢測(cè)方便。超級(jí)電容的容量與其端電壓有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而蓄電池的容量檢測(cè)，不論是離線式還是在線式，都需要進(jìn)行繁瑣的工作。

2 超級(jí)電容器組容量的計(jì)算

超級(jí)電容器的等效模型[2]如圖2(a)所示，其中C為理想電容器，ESR(equivalentseries resistance)為等效串聯(lián)內(nèi)阻，EPR(e-quivalentparallel resistance)為等效并聯(lián)內(nèi)阻。ESR的存在影響超級(jí)電容的充放電效率，降低超級(jí)電容的有效儲(chǔ)能。EPR代表超級(jí)電容器的漏電流，影響電容的長(zhǎng)期儲(chǔ)能性能，通?？梢赃_(dá)到幾十千歐，所以在實(shí)際工作中可以忽略。故將模型簡(jiǎn)化為C與ESR的串聯(lián)形式，如圖2(b)所示。

圖2 超級(jí)電容等效模型

超級(jí)電容的單體額定電壓一般小于3 V，典型值取2.7 V，電壓較低，因而通常由多個(gè)超級(jí)電容通過(guò)串并聯(lián)組成超級(jí)電容模塊，以滿足電壓等級(jí)和能量的需要。由于超級(jí)電容放電不完全，存在最低工作電壓Umin，所以單體超級(jí)電容的最大輸出能量為：

式中：Umax為超級(jí)電容充電完成后的電壓值，假設(shè)超級(jí)電容m個(gè)串聯(lián)，n個(gè)支路并聯(lián)，則超級(jí)電容組輸出的最大能量為：

3 超級(jí)電容串聯(lián)均壓措施

由于超級(jí)電容內(nèi)部參數(shù)的不一致性，在充放電過(guò)程中導(dǎo)致超級(jí)電容器的工作電壓不平衡，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的安全性、使用壽命和穩(wěn)定性，所以在串聯(lián)使用中需要對(duì)其進(jìn)行均壓。目前常用的串聯(lián)均壓措施有兩大類：

（1）通過(guò)阻性器件消耗能量的方法，如并聯(lián)電阻法、穩(wěn)壓管法[3]、開關(guān)電阻法[4]等。能量消耗型均壓電路將端電壓較高的電容器能量以發(fā)熱的形式消耗在電阻或穩(wěn)壓管上，以達(dá)到均壓目的，該方法發(fā)熱嚴(yán)重，能耗較大。由于成本的優(yōu)勢(shì)，能量消耗型均壓方法被應(yīng)用較多，適用于充放電功率較小的場(chǎng)合。

（2）通過(guò)儲(chǔ)能器件進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的方法，如飛渡電容法[5]、平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法[6]、DC/DC[7-8]變換器法等。能量轉(zhuǎn)移型均壓電路通過(guò)儲(chǔ)能元件將能量從端電壓較高的超級(jí)電容器單元轉(zhuǎn)移至端電壓較低的超級(jí)電容器單元，以實(shí)現(xiàn)均壓。該方法均壓速度快、在電壓均衡過(guò)程中只消耗少量的能量。其缺點(diǎn)是需要的電感、開關(guān)管等功率器件多，控制復(fù)雜，成本高，適用于充放電功率高的場(chǎng)合。

超級(jí)電容的串聯(lián)均壓設(shè)計(jì)應(yīng)綜合成本、功率、控制等各方面的因素，合理的選擇均壓措施。本文設(shè)計(jì)的UPS功率較小，所以采用開關(guān)電阻法進(jìn)行串聯(lián)均壓，如圖3所示，當(dāng)電容兩端的電壓超過(guò)預(yù)設(shè)參考值UREF時(shí)，比較器觸發(fā)開關(guān)S閉合，電流流過(guò)旁路電阻R和開關(guān)S，減緩或阻止了電容電壓的繼續(xù)上升。根據(jù)電容容量的分散性和充電電流的大小，可確定一個(gè)最優(yōu)的UREF和R的值，使電容的儲(chǔ)存能量和效率達(dá)到極大值。

圖3 超級(jí)電容均壓電路

4 超級(jí)電容器組儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 充電電路

對(duì)超級(jí)電容器組的充電采用先恒流后恒壓的充電策略，即在未達(dá)到額定電壓值前采用恒流充電，達(dá)到額定電壓值后改為恒壓浮充，防止單體超級(jí)電容過(guò)充而造成損壞，并補(bǔ)償由于EPR引起的能量損耗?？紤]到本設(shè)計(jì)的UPS功率較小，充電電路拓?fù)洳捎谜ぷ儞Q器。針對(duì)以上要求，充電電路采用電流型PWM控制芯片TL3844構(gòu)成電壓、電流雙閉環(huán)反饋進(jìn)行控制，如圖4所示。

圖4 充電控制電路圖

其中，SC+為超級(jí)電容器組的正極，SC-為超級(jí)電容器組的負(fù)極，Is為充電電路的變壓器初級(jí)繞組電流。采用TL431和PC817構(gòu)成穩(wěn)壓反饋，將TL3844的2腳接地，PC817A的三極管集電極直接接在1腳，跳過(guò)芯片內(nèi)部的誤差放大器，減少了傳輸時(shí)間，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。電阻R6將充電電路的變壓器初級(jí)繞組電流Is取樣后，經(jīng)C5濾波后送入3引腳形成電流閉環(huán)反饋。

4.2 放電電路

當(dāng)市電斷電或低于設(shè)定值時(shí)，要求UPS對(duì)負(fù)載恒壓放電，即超級(jí)電容器組對(duì)負(fù)載恒壓放電。雖然超級(jí)電容器的比功率大，但是能量密度較低，當(dāng)放電電流較大時(shí)，能量損失較快，超級(jí)電容器兩端電壓下降較快，因此要改變占空比來(lái)提高升壓比，以維持輸出電壓恒定?？刂菩酒捎肨L3842，由于采用峰值電流控制方式，當(dāng)其輸出的PWM占空比大于50%時(shí)，系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，主要表現(xiàn)為擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的誤差被逐漸放大以及輕載和空載時(shí)電源失控，必須加入斜坡補(bǔ)償電路，如圖5所示。

圖5 放電控制電路圖

其中Us和Is分別為反饋電壓和反饋電流。斜坡補(bǔ)償采用的方法是在電流反饋電壓處加入斜坡補(bǔ)償電壓，其中耦合電容C10隔離了震蕩器中的直流分量，僅將交流分量耦合到TL3842的電流檢測(cè)的3引腳。

5 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

基于上述分析和設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)功率為100 W的樣機(jī)，樣機(jī)的主要參數(shù)：交流輸入電壓范圍AC 176～264 V，直流輸入范圍（超級(jí)電容器組端電壓）為DC 6～15 V，市電低于AC 176 V或斷電時(shí)輸出電壓為DC(250±10)V，掉電工作時(shí)間為4m in。需要超級(jí)電容提供的能量為24 kJ。選用650 F/2.7 V的超級(jí)電容，充滿電后超級(jí)電容器組的端電壓限制為15 V，即單體超級(jí)電容端電壓為2.5 V；放電結(jié)束后端電壓限制在6 V，即單體超級(jí)電容端電壓為1 V。經(jīng)計(jì)算可得，需要6個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，2個(gè)這樣的支路并聯(lián)組成超級(jí)電容器組儲(chǔ)能模塊。

圖6為超級(jí)電容器組充電時(shí)其兩端電壓的波形，圖7為超級(jí)電容器組放電時(shí)的端電壓波形。超級(jí)電容器組端電壓充電時(shí)最高電壓為15 V，放電時(shí)端電壓最低為6 V，整個(gè)充電過(guò)程僅需3min左右，充電速度快。

圖6 超級(jí)電容器組充電時(shí)端電壓波形

圖7 超級(jí)電容器組放電時(shí)端電壓波形

圖8 輸出電壓波形

圖8為市電斷電或低于176 V時(shí)，由超級(jí)電容器組供電時(shí)的輸出電壓波形。從圖中可看出，輸出穩(wěn)壓精度高，電壓紋波很小。

6 結(jié)論

本文提出的基于超級(jí)電容的直流不間斷電源，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)成本低、控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器可根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓、輸出功率和能量的要求，進(jìn)行相應(yīng)的串并聯(lián)組合，易于擴(kuò)展，在短時(shí)放電的場(chǎng)合可取代傳統(tǒng)UPS中的蓄電池，實(shí)現(xiàn)真正的免維護(hù)，應(yīng)用前景十分廣闊。

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