一種新型充電模式超級(jí)電容的探討

周文良，郭晨沐

（長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春130012）

一種新型充電模式超級(jí)電容的探討

周文良，郭晨沐

（長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春130012）

采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式，設(shè)計(jì)了一款充電裝置，并對(duì)實(shí)際超級(jí)電容樣品進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)、測試以及深入研究，結(jié)果顯示該種充電模式充電效率高，充電效果好。

超級(jí)電容；充電模式；充電裝置

1 概述

近年來，超級(jí)電容廣泛應(yīng)用于風(fēng)能、光伏發(fā)電、機(jī)車啟動(dòng)系統(tǒng)、通訊、信號(hào)監(jiān)控及后備電源等方面，成為了當(dāng)前能源技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前專門針對(duì)超級(jí)電容的充電設(shè)備貧乏，大多使用傳統(tǒng)的通用型充電裝置，而傳統(tǒng)的通用型充電裝置是針對(duì)蓄電池、鉛酸電池設(shè)計(jì)，其充電方式通常為多階段小電流充電的方式，充電時(shí)間很長，采用這種方式給超級(jí)電容充電會(huì)產(chǎn)生諸如增加超級(jí)電容的充電時(shí)間、影響超級(jí)電容的使用壽命等問題，而且超級(jí)電容所具有的可大電流快速充電的特點(diǎn)也沒能得到發(fā)揮和利用。

1．1 超級(jí)電容的等效電路

超級(jí)電容的簡化等效模型如圖1所示，其中Rep為等效并聯(lián)電阻，其阻值一般較大；Res為等效串聯(lián)電阻，其阻值一般不大。

圖1 超級(jí)電容簡化等效模型

1．2 超級(jí)電容的充電特性

國內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)對(duì)超級(jí)電容的基本特性進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)曾對(duì)車用超級(jí)電容組（50 000F以及100 000F）進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：1）對(duì)超級(jí)電容充電時(shí)，超級(jí)電容的容量隨著充電電流的增加而下降；2）充電電流越大，超級(jí)電容端電壓升高速度越快；3）當(dāng)大電流充電時(shí)，雖然可以縮短充電時(shí)間，但是充電效率會(huì)下降，儲(chǔ)能效率將減??；4）快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容溫度上升。

2 超級(jí)電容智能充電裝置的設(shè)計(jì)

采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，設(shè)計(jì)一種超級(jí)電容充電裝置，其設(shè)計(jì)要求如下：1）輸出功率Po＝3 000W；2）工作頻率f＝50kHz；3）恒流可調(diào)范圍為0～50A；4）恒壓可調(diào)范圍為0～60V；5）采用全橋移相PWM控制。

2．1 超級(jí)電容智能充電裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

這里采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式，依據(jù)超級(jí)電容的充電特性，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)一種智能充電裝置，在保證快速充電的同時(shí)，還兼顧了超級(jí)電容的充電容量、充電效率和不損害超級(jí)電容的使用壽命等因素。

超級(jí)電容智能充電裝置主要由主電路和控制電路構(gòu)成，主電路包括橋式整流電路、濾波電路、IGBT全橋變換電路、高頻變壓器、高頻整流濾波電路。控制電路包括主控制芯片（單片機(jī)最小系統(tǒng)）、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、保護(hù)電路、顯示模塊、故障輸出模塊和按鍵電路。超級(jí)電容智能充電裝置的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2．2 超級(jí)電容智能充電裝置的工作原理

1）主電路。超級(jí)電容智能充電主電路包括橋式整流電路、濾波電路、IGBT全橋變換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路，將輸入的交流電轉(zhuǎn)化為所需要的直流電輸出，其實(shí)質(zhì)就是AC－DC－ACDC的變化過程。

2）控制電路。控制電路主要包括充電控制電路、數(shù)據(jù)采集電路、系統(tǒng)保護(hù)電路、按鍵和顯示電路。

圖2 超級(jí)電容智能充電裝置的系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

2．3 主電路的設(shè)計(jì)

充電裝置的主電路由主繼電器控制電路、橋式整流電路、輸入端濾波電路、IGBT全橋變換電路、高頻變壓器及其副邊整流濾波電路等組成。

1）主電路的控制。包括帶漏電保護(hù)的空氣開關(guān)和固態(tài)繼電器（SSR），通過CPU的I／O引腳控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷，具體電路如圖3所示。

圖3 主繼電器控制和橋式整流電路

2）橋式整流電路。由于充電裝置輸出功率大，則需采用交流電（AC）作為其輸入電源，并由4個(gè)二極管組成橋式整流電路。經(jīng)橋式整流后得到含有脈動(dòng)成分的直流電，輸出為U01，具體電路如圖3所示。

3）輸入側(cè)濾波電路。輸入側(cè)濾波電路由濾波電感（L1）、低頻濾波電容（C1和C2）、保護(hù)電組（R1和R2）以及高頻濾波電容（C3）等組成。由于C1、C2容量較大，故并聯(lián)有適當(dāng)阻值的泄放電阻R1、R2。該電路的作用是對(duì)電網(wǎng)來的混有高、低頻的交流電進(jìn)行濾波，濾除低頻和高頻的干擾。其具體電路如圖4所示。

4）全橋逆變電路。逆變電路由IGBT全橋變換電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成。IGBT全橋逆變電路將整流后的直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，再由高頻變壓器實(shí)現(xiàn)隔離和變壓。其具體電路如圖5所示。

圖4 輸入側(cè)濾波電路

5）輸出側(cè)整流濾波電路。高頻變壓器低壓側(cè)整流濾波電路由兩個(gè)快恢復(fù)二極管、濾波電感和濾波電容組成。該電路的作用是對(duì)高頻變壓器輸出的高頻交流電整流，再濾去整流后的干擾。其具體電路如圖5所示。

綜合以上各方面因素，對(duì)主電路總體硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6所示。工作原理為：當(dāng)主電路電源被CPU控制接通時(shí)，交流電加在橋式整流電路中，整流后的直流電通過輸入側(cè)的LC濾波電路濾波后形成平滑穩(wěn)定的直流電，之后又被加到4只大功率的IGBT組成的全橋變換電路的原邊上，4個(gè)橋臂上的IGBT在其驅(qū)動(dòng)裝置的控制下，按控制規(guī)律輪流導(dǎo)通與關(guān)斷，使高頻變壓器的原邊形成交變的閉合回路，在變壓器的副邊形成高頻交流電，該交流電經(jīng)整流濾波后，形成所需的穩(wěn)定直流。主電路將檢測得來的輸出電壓或電流反饋給控制電路，然后控制電路將其進(jìn)行分析比較，進(jìn)而控制PWM輸出，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓或電流的調(diào)控。

圖5 全橋式逆變電路

圖6 超級(jí)電容智能充電裝置總硬件電路

2．4 控制電路的設(shè)計(jì)

2．4．1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

超級(jí)電容智能充電裝置控制部分主要包括：單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動(dòng)模塊、主電路輸入側(cè)電壓釆集模塊、充電裝置輸出側(cè)電壓和電流采集模塊、環(huán)境溫度采集模塊、按鍵電路、顯示模塊、故障輸出模塊等。超級(jí)電容智能充電控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。

圖7 超級(jí)電容智能充電裝置控制系統(tǒng)構(gòu)成

2．4．2 控制系統(tǒng)工作原理

超級(jí)電容智能充電裝置工作時(shí)，作為主控制芯片的單片機(jī)對(duì)充電裝置進(jìn)行全面控制。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)控制系統(tǒng)開始工作，分析比較采集來的電壓和電流數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)正常，且輸出無故障，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制固態(tài)繼電器（SSR）導(dǎo)通，接通主電路電源，系統(tǒng)正常工作。在工作過程中，傳感器將所檢測到的輸出電流或電壓反饋給單片機(jī)，單片機(jī)將其與恒壓轉(zhuǎn)折電流或恒流轉(zhuǎn)折電壓進(jìn)行分析比較，然后通過IGBT驅(qū)動(dòng)模塊來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流或電壓（即調(diào)節(jié)PWM輸出占空比），從而構(gòu)成了閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，并且還能進(jìn)行恒流轉(zhuǎn)恒壓充電，以及達(dá)到恒壓轉(zhuǎn)折電流后終止充電過程的目的?？刂葡到y(tǒng)上電后，若采集來的數(shù)據(jù)有故障，CPU控制固態(tài)繼電器，不接通主電路，并立即發(fā)出報(bào)警，直至排除故障。在系統(tǒng)的充電過程中，系統(tǒng)不斷采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若有異常，CPU立即切斷輸出，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)。

2．4．3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容智能充電裝置的核心是控制系統(tǒng)，它需要實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集和具備調(diào)控功能，還要完成各種故障保護(hù)，輸出顯示與報(bào)警等功能。

設(shè)計(jì)超級(jí)電容智能充電裝置，需要檢測主電路輸入電壓、輸出電壓和電流及環(huán)境溫度等信息，采用單片機(jī)能達(dá)成以上需求，且該芯片還含有A／D轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，尤其是該芯片還含有PWM調(diào)制模塊，可方便地用來驅(qū)動(dòng)IGBT，進(jìn)而控制全橋變換，是本系統(tǒng)較為理想的中央控制單元。

本文選用美國微軟公司生產(chǎn)的PIC18F4580芯片作為控制芯片。該芯片的主要特點(diǎn)如下：1）高達(dá)2MB的程序存儲(chǔ)器；2）高達(dá)4KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；3）3個(gè)外部中斷引腳；4）豐富的I／O端口，最大灌電流可達(dá)25mA；5）捕捉／比較脈寬調(diào)制模塊：可實(shí)現(xiàn)1個(gè)、2個(gè)或者4個(gè)PWM輸出；6）10位A／D轉(zhuǎn)換模塊；7）工作電壓范圍寬：2．0～5．5V；8）工業(yè)級(jí)溫度范圍。

2．5 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2．5．1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，再判斷是否有故障發(fā)生，若有故障，就進(jìn)行故障處理，若沒有故障就啟動(dòng)開關(guān)，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換采樣，調(diào)用充電子程序?qū)Τ?jí)電容進(jìn)行充電，故障檢測等操作，并不斷循環(huán)。

圖8 主程序流程圖

圖9 充電子程序流程圖

2．5．2 充電子程序設(shè)計(jì)

充電子程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方法是：先以恒定電流的方式給超級(jí)電容充電，待檢測到輸出電壓達(dá)到充電轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，需轉(zhuǎn)用恒定電壓的方式給超級(jí)電容充電。在恒壓充電過程中，當(dāng)檢測輸出電流達(dá)到恒壓轉(zhuǎn)折電流（即充電終止電流）時(shí)，CPU將關(guān)閉PWM輸出，結(jié)束充電過程。

3 實(shí)驗(yàn)與測試

以實(shí)際超級(jí)電容樣品（48V165F）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其采用恒流轉(zhuǎn)恒壓方式充電（恒流轉(zhuǎn)折電壓設(shè)定為47．5V）。在充電過程中，使用高精度的電壓表和電流表測量充電裝置輸出電流及電壓的大小，當(dāng)輸出電流達(dá)到恒壓轉(zhuǎn)折電流（即充電終止電流）時(shí)，充電完成。測試的數(shù)據(jù)如表1和圖10所示。

表1 恒流轉(zhuǎn)恒壓方式運(yùn)行，其電壓值

圖10 恒流轉(zhuǎn)恒壓充電曲線

4 結(jié)語

本文從設(shè)計(jì)的要求出發(fā)，采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，設(shè)計(jì)出了一款智能充電裝置，并借助測量儀器對(duì)其進(jìn)行充電測試，效果令人滿意。

采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式，可以用較大電流充電，節(jié)省充電時(shí)間，后期采用恒壓充電，可以提高儲(chǔ)能密度。但是，當(dāng)采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電方式時(shí)，恒流轉(zhuǎn)折電壓和恒壓轉(zhuǎn)折電流的設(shè)定值非常重要，如果設(shè)定值不合適，可能會(huì)出現(xiàn)超級(jí)電容過充或未充滿的情況，這將影響超級(jí)電容的充電效率和使用壽命，乃至損壞超級(jí)電容。

［1］汪亞霖．超級(jí)電容充電策略研究［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（5）：170－171．

［2］祁新春．雙電層電容器電壓均衡技術(shù)綜述［J］．高電壓技術(shù)，2008（5）：293－297．

［3］儲(chǔ)君．電動(dòng)車用超級(jí)電容參數(shù)特性的實(shí)驗(yàn)研究［D］．上海：上海交通大學(xué)，2004．

［4］王睿庭．開關(guān)電源充電機(jī)的研制［D］．蘭州：西北師范大學(xué)，2007．

The Explore to a Super Capacitor Charging Mode

ZHOU Wen－liang，etc．
（School of Electrical ＆Information Engineering，
Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

：This thesis has adopted the constant flow charging mode to design a charging device，and makes an charging experiment，test and further research to the actual super capacitor．The result shows that this charging mode is efficient and with good charging effect．

super capacitor；charging mode；chargingcircuit

TM53

A

1009－8984（2016）02－0024－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．006

2016－06－12

2015年國家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201511437048）

周文良（1959－），男（漢），長春，教授主要研究電氣控制與檢測。