超級(jí)電容在手機(jī)移動(dòng)電源中的運(yùn)用

江友華, 錢 彥

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

超級(jí)電容在手機(jī)移動(dòng)電源中的運(yùn)用

江友華, 錢 彥

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

概括了超級(jí)電容的原理和發(fā)展前景,介紹了運(yùn)用超級(jí)電容代替鋰電池作為手機(jī)移動(dòng)電源的總體思路.采用控制電路來(lái)控制升/降壓電路中脈沖帶寬的大小,同時(shí)為不引起干擾,采用一個(gè)獨(dú)立的升/降壓電路為之供電.該移動(dòng)電源具有使用時(shí)間長(zhǎng)、充放電快、無(wú)過充電危險(xiǎn)、環(huán)保等特點(diǎn).

超級(jí)電容; 手機(jī); 移動(dòng)電源

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,手機(jī)在人們的社會(huì)生活和工作中變得越來(lái)越重要.為了延長(zhǎng)手機(jī)的單次使用時(shí)間,外接的移動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生.目前手機(jī)移動(dòng)電源基本都是用鋰電池作為儲(chǔ)電單元.但鋰電池充放電速度較慢,大電流充電易損壞電池,同時(shí)又非常不環(huán)保.超級(jí)電容是近幾年發(fā)展起來(lái)的,它具有數(shù)萬(wàn)次以上的充電壽命,可大電流充電,且過充無(wú)危險(xiǎn)(即無(wú)需保護(hù)電路)等優(yōu)點(diǎn)[1],其中大電流充電的優(yōu)點(diǎn)尤為受到人們關(guān)注.因?yàn)檩^大電流對(duì)超級(jí)電容充電基本沒有損害,但鋰電池極易受到影響.雖然超級(jí)電容儲(chǔ)蓄電能的能力小于鋰電池,但手機(jī)所需電量不高且移動(dòng)電源可以外帶,總體來(lái)說(shuō)利大于弊,所以可以用超級(jí)電容代替鋰電池手機(jī)移動(dòng)電源中的位置[2-3].本文設(shè)計(jì)了一種電路,使超級(jí)電容的電能能夠穩(wěn)定地釋放出來(lái),從而使其能作為一個(gè)獨(dú)立的電源使用.

1 超級(jí)電容器的原理

1.1 理論表述

超級(jí)電容充電時(shí),其儲(chǔ)蓄的能量E與電容C成正比,與充電電壓U的平方成反比,其中C表征電容器儲(chǔ)存電能(電荷量)的能力[4]:

而C的大小又是由電容器的結(jié)構(gòu)決定的:

式中:εγ——電解液的相對(duì)介電常數(shù);

A——電極的表面積;

ε0——真空介電常數(shù);

d——雙電層的厚度.

可以看出,如果采用表面積極大的活性炭作為電極材料,即A極大,就會(huì)極大地增加電容器存儲(chǔ)電荷的能力,即能夠大電流充電且不損害電池,這就是超級(jí)電容器與普通鋰電池的本質(zhì)差別.

1.2 超級(jí)電容器的長(zhǎng)處和劣勢(shì)

1.2.1 超級(jí)電容器的長(zhǎng)處

超級(jí)電容器最顯著的特點(diǎn)是循環(huán)壽命和比功率很高[1].因?yàn)槌?jí)電容器在充放電時(shí)由于內(nèi)部沒有電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的阻抗,使超級(jí)電容具有遠(yuǎn)高于鋰電池的比功率.運(yùn)用到手機(jī)移動(dòng)電源上時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)(幾分鐘內(nèi))完成充放電.而相同容量的鋰電池充放電的時(shí)間往往都長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)及以上.另外,超級(jí)電容器電極材料的晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)槠涑浞烹姸兓?因此其循環(huán)使用壽命通?？梢赃_(dá)到數(shù)萬(wàn)次以上.同時(shí),若超級(jí)電容過充電,即電容一旦達(dá)到過充電電壓,這時(shí)超級(jí)電容中正負(fù)極之間自然斷開,這相當(dāng)于一種另類的過充電“保護(hù)電路”.這就意味著利用超級(jí)電容作為存儲(chǔ)單元的手機(jī)移動(dòng)電源不需要像利用鋰電池那樣需要保護(hù)電路,以免過充電損害電池健康.

1.2.2 超級(jí)電容器的劣勢(shì)及措施

圖1 恒流放電時(shí)超級(jí)電容器的電壓與所釋放容量的關(guān)系

2 手機(jī)移動(dòng)電源的電路總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的電路參考了文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6],并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 電路總體結(jié)構(gòu)

它以超級(jí)電容為中心,分為充電電路和工作(放電)電路兩部分.當(dāng)手機(jī)移動(dòng)電源電量低時(shí),即超級(jí)電容的電量降低到一定值時(shí),就通過充電電路對(duì)其充電.因?yàn)槌?jí)電容可以用安培級(jí)電流充電,所以充電過程只要幾分鐘就可完成,而不需要像傳統(tǒng)的移動(dòng)電源一樣充電長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí).當(dāng)手機(jī)需要充電時(shí),接入手機(jī)移動(dòng)電源,即超級(jí)電容工作放電.但因?yàn)殡娙莘烹姷倪^程是電壓沿指數(shù)函數(shù)下降的過程,若要獲得較穩(wěn)定的電壓就要通過控制電路來(lái)判斷其實(shí)時(shí)電壓的大小,以控制升/降壓電路脈沖帶寬的大小,使其輸出電壓穩(wěn)定在手機(jī)所需的充電電壓(一般在5 V左右).同時(shí)為不引起干擾,采用一個(gè)獨(dú)立的升/降壓電路為之供電.

3 充電電路設(shè)計(jì)和升/降壓電路設(shè)計(jì)

充電電路的設(shè)計(jì)采用的是文獻(xiàn)[2]中的充電電路設(shè)計(jì),這里就不再詳述.

本文主要分析升/降壓電路的設(shè)計(jì),如圖3所示.選擇升/降壓電路的原因在于可以靈活地根據(jù)輸入電壓的改變而把輸出電壓控制在一個(gè)定值中.即針對(duì)超級(jí)電容器的劣勢(shì),采用升/降壓式變換器來(lái)升/降電壓以保持輸出電壓的穩(wěn)定.

由仿真得到的結(jié)果如圖4和圖5所示.假設(shè)輸入電壓為3.3 V時(shí),若設(shè)置脈沖寬度為60(即D=0.6),可使得輸出電壓:

即升壓至5 V.假設(shè)輸出電壓為7.5 V,若設(shè)置脈沖寬度為40,則可得:

則實(shí)現(xiàn)了輸出電壓穩(wěn)定在5 V的目的.即當(dāng)用控制電路根據(jù)輸入電壓的變化設(shè)置升/降壓電路中的脈沖寬度時(shí),可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定在5 V左右.

圖3 升/降電壓仿真電路

圖4 升壓過程及輸入電壓為3.3 V時(shí)的仿真結(jié)果

圖5 降壓過程及輸出電壓為7.5 V時(shí)的仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于超級(jí)電容的使用時(shí)間長(zhǎng)、充電快、無(wú)過充危險(xiǎn)且環(huán)保等特點(diǎn),將其作為獨(dú)立電源使用,形成一種可快速穩(wěn)定的充放電的新型手機(jī)移動(dòng)電源.設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的升/降壓電路,可以根據(jù)輸入電壓的改變而把輸出電壓控制在一個(gè)定值,解決了因?yàn)槌?jí)電容放電中電壓沿指數(shù)函數(shù)下降的問題.但移動(dòng)電源容量偏小的問題依然沒有得到解決.相信隨著超級(jí)電容容量的增加,超級(jí)電容必將成為儲(chǔ)蓄電池行業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向.

[1] 廖川平.超級(jí)電容電池[J].化學(xué)通報(bào),2014(9):865-871.

[2] 閆曉俊,黃耀志.超級(jí)電容在手機(jī)電源中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù),2006(6):57-59.

[3] 孫雷.超級(jí)電容的原理及應(yīng)用研究[J].科技信息,2013(34):1-2.

[4] 單金生,吳立鋒,關(guān)永,等.超級(jí)電容建模現(xiàn)狀及展望[J].電子元件與材料,2013(8):5-10.

[5] 苗永康,周燕,王健,等.基于超級(jí)電容的太陽(yáng)能應(yīng)急手機(jī)充電器設(shè)計(jì)[J].科技視界,2015(19):26.

[6] 肖佐無(wú),王海波.基于PID的電動(dòng)汽車超級(jí)電容穩(wěn)壓放電研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2015(10):133-134.

ApplicationofSuper-capacitorinthePortablePowerofMobilePhone

JIANG Youhua, QIAN Yan

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The principle and the development prospect of super-capacitor is first summarized.Then,the comprehensive idea of utilizing super-capacitor replacing lithium battery in portable power of mobile phone is introduced.A step up/down circuit needs a control circuit to control the size of its pulse bandwidth.At the same time,in order to eliminate interference,an independent step up/down circuit for power supply is included.The power has these traits of fast charge,long life,secure over-change,environmental protectionand so on.

super-capacitor; mobile phone; portable power

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.020

2016-03-16

錢彥(1992-),女,在讀碩士,浙江杭州人.主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮?電能質(zhì)量分析.E-mail:13735560059@163.com.

TN86;TM53;F407.6

A

1006-4729(2017)05-0511-04

(編輯 胡小萍)