一種超級(jí)電容充放電管理方案

顏嘉元

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇南京，210000）

0 引言

超級(jí)電容是一種儲(chǔ)能元件，其基本原理是利用固體（活性炭多孔電極）和液體（電解液）的界面形成的電氣雙層來(lái)代替電介質(zhì)。容量的大小與在界面形成的電氣雙層成正比。超級(jí)電容儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因此超級(jí)電容可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。

超級(jí)電容作為一種新型的儲(chǔ)能器件被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如汽車(chē)領(lǐng)域、UPS 電源、行車(chē)記錄儀等。本文主要介紹一種超級(jí)電容的充放電管理方案，以便用于在需要使用到備用電源的存儲(chǔ)設(shè)備中，保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。

1 工作原理

本超級(jí)電容的充放電管理方案由下面幾個(gè)部分組成：（1）超級(jí)電容電路；（2）均衡電路；（3）超級(jí)電容充電電路；（4）溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊；（5）電壓比較電路；（6）電源切換電路；（7）MCU 電路。如圖1 所示。

圖1 超級(jí)電容充放電管理系統(tǒng)框圖

該超級(jí)電容充放電管理方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充放電管理、系統(tǒng)電源切換、超級(jí)電容充放電狀態(tài)上報(bào)以及系統(tǒng)供電電源狀態(tài)上報(bào)等功能，可有效、精確地保證系統(tǒng)的電源供給，保證系統(tǒng)的魯棒性。

2 方案設(shè)計(jì)

■2.1 超級(jí)電容電路

超級(jí)電容的容量需要根據(jù)系統(tǒng)功耗以及放電時(shí)間進(jìn)行選擇，可進(jìn)行串并聯(lián)搭配使用。依據(jù)“電路保持工作所需能量=法拉電容減少能量”的原則，可知：

電路保持工作所需能量為：

法拉電容減少能量為：

式中：C為法拉電容的標(biāo)稱(chēng)容量；Uwork為系統(tǒng)正常工作電壓；Umin為系統(tǒng)能工作的最低電壓；t為電路中要求的保持時(shí)間；I為系統(tǒng)的負(fù)載電流。

在選擇超級(jí)電容時(shí)需要關(guān)注以下參數(shù)：（1）額定電壓；（2）額定容量；（3）ESR；（4）持續(xù)電流；（5）峰值電流；（6）72h 漏電流；（7）儲(chǔ)存容量；（8）使用壽命；（9）工作壽命。根據(jù)上訴公式結(jié)合實(shí)際使用條件即可得到超級(jí)電容所需容量、串并方式等結(jié)果。

多電容器并聯(lián)計(jì)算公式為：

多電容器串聯(lián)計(jì)算公式為：

■2.2 均衡電路

超級(jí)電容作為一種高效的儲(chǔ)能元器件，具有ESR 小、充放電速度快、能量密度高、使用壽命長(zhǎng)及工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但受制造工藝限制的原因，超級(jí)電容在生產(chǎn)制作過(guò)程中，存在個(gè)體電壓、容量和ESR 等參數(shù)不一致的問(wèn)題，這種不一致會(huì)導(dǎo)致在使用過(guò)程中存在個(gè)體過(guò)充過(guò)放超壓等現(xiàn)象，造成使用壽命低并可能進(jìn)一步導(dǎo)致熱失控，最終引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸的問(wèn)題。故在超級(jí)電容使用過(guò)程中需要使用均衡電路。

均衡電路分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種。主動(dòng)均衡是一種復(fù)雜的均衡方式，是通過(guò)軟硬件的方式在超級(jí)電容充放電階段將電能平均分配到各個(gè)超級(jí)電容單體中。被動(dòng)均衡一般是采用電阻放電的方式將每個(gè)超級(jí)電容的容量、電壓保持在一個(gè)平均的水平。主動(dòng)均衡具有均衡精準(zhǔn)、損耗小等特點(diǎn)，但主動(dòng)均衡成本高。被動(dòng)均衡具有電路簡(jiǎn)單、損耗大、成本低等特點(diǎn)。因本方案中超級(jí)電容較少，考慮到成本因素，故采用被動(dòng)均衡方案，使用1kΩ 電阻與一個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)后再將4 組超級(jí)電容串聯(lián)的方式進(jìn)行超級(jí)電容均衡。電阻需要選擇高精度電阻，保證每個(gè)超級(jí)電容獲得的電壓不超過(guò)額定電壓。均衡電路如圖2 所示。

圖2 均衡電路

■2.3 超級(jí)電容充電電路

超級(jí)電容充電需要采用不超過(guò)額定電壓的直流電壓進(jìn)行充電，可采用限流、恒流、恒功率、恒電壓等多種充電方式。超級(jí)電容充電電流計(jì)算公式如下：

超級(jí)電容充電可選擇下面幾種方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：（1）線(xiàn)性充電器；（2）開(kāi)關(guān)降壓模式充電器；（3）改進(jìn)型鋰電池充電器；（4）升降壓充電器。本方案中采用電阻+三極管+二極管的方式對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。該方式為線(xiàn)性充電器方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。電路中通過(guò)電阻和二極管共同作用的方式對(duì)充電電流進(jìn)行限制。初始時(shí)Vcap點(diǎn)的電壓為0V，PNP 三極管Q1 的基極和射極之間的電壓VBE 由二極管D1、D2 設(shè)定，超級(jí)電容充電電流ICHG=(10.8V_SB-VCE)/2，隨著超級(jí)電容充電后，Vcap點(diǎn)的電壓增加，ICHG減小，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 超級(jí)電容充電電路

■2.4 溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊

超級(jí)電容在充放電過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，溫度過(guò)高時(shí)充電會(huì)造成內(nèi)部電解液過(guò)于活躍，導(dǎo)致超級(jí)電容鼓包甚至發(fā)生爆炸引起火災(zāi)；溫度過(guò)低時(shí)放電會(huì)出現(xiàn)電解液活性不足，導(dǎo)致容量無(wú)法得到充分釋放的問(wèn)題。本方案中設(shè)計(jì)了超級(jí)電容溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超級(jí)電容溫度，并通過(guò)電阻絲加熱和風(fēng)扇散熱的方式對(duì)超級(jí)電容的溫度進(jìn)行控制。圖4 為溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊的系統(tǒng)框圖。

圖4 溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊

2.4.1 測(cè)溫電路

測(cè)溫電路的主要作用為監(jiān)測(cè)超級(jí)電容的實(shí)時(shí)溫度。圖5 為測(cè)溫電路的系統(tǒng)框圖，采用NTC 電阻的方式對(duì)超級(jí)電容的溫度進(jìn)行測(cè)量，將NTC 電阻分得的電壓進(jìn)比較器進(jìn)行比較，通過(guò)比較器設(shè)置測(cè)量溫度的范圍，最后將比較器比較后輸出的結(jié)果用于控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)和電阻絲加熱的開(kāi)關(guān)，并將輸出結(jié)果上報(bào)到MCU，告知目前模塊的狀態(tài)。

圖5 測(cè)溫電路

2.4.2 風(fēng)扇

風(fēng)扇在該模塊中的主要作用為散熱，溫度高于超級(jí)電容使用溫度時(shí)開(kāi)啟風(fēng)扇對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行散熱。風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)采用MOS 管的方式，比較器輸出的信號(hào)用于控制MOS 管的開(kāi)啟和關(guān)閉，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇開(kāi)啟和關(guān)閉的控制。

2.4.3 電阻絲加熱電路

電阻絲加熱電路在該模塊中的主要作用為給超級(jí)電容進(jìn)行加熱，電阻絲采用薄膜型電阻絲貼于超級(jí)電容表面，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行均勻加熱。電阻絲的開(kāi)關(guān)采用繼電器的方式，比較器輸出的信號(hào)用于控制繼電器的開(kāi)啟和關(guān)閉，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻絲開(kāi)啟和關(guān)閉的控制。

■2.5 電壓比較電路

本方案中系統(tǒng)可通過(guò)兩個(gè)電源進(jìn)行供電：（1）外部電源；（2）超級(jí)電容。給系統(tǒng)供電時(shí)需要對(duì)兩個(gè)供電電源進(jìn)行管理，當(dāng)有外部電源輸入時(shí)系統(tǒng)使用外部電源進(jìn)行供電，并且使用外部電源對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)外部電源突然斷開(kāi)時(shí)系統(tǒng)切換為超級(jí)電容供電。本方案中使用比較器、非門(mén)和或門(mén)設(shè)計(jì)電壓比較電路。為了防止電源切換過(guò)程中出現(xiàn)的檢測(cè)不準(zhǔn)確和電壓回彈的問(wèn)題，給比較器傳遞函數(shù)增加正反饋的方式達(dá)到電壓遲滯的目的。

通過(guò)兩個(gè)比較器分別對(duì)外部電源和超級(jí)電容的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生比較結(jié)果，對(duì)比較后的結(jié)果進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，最終產(chǎn)生兩個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)1 用于將系統(tǒng)供電切換為外部電源供電，控制信號(hào)2 用于將系統(tǒng)供電切換為超級(jí)電容供電。

圖6 電壓比較電路

■2.6 電源切換電路

本方案中系統(tǒng)由兩個(gè)電源進(jìn)行供電：（1）外部電源；（2）超級(jí)電容。對(duì)于兩個(gè)電源的供電管理，本方案中采用PMOS 管、肖特基二極管和NOS 管的方式設(shè)計(jì)電源切換電路。使用3 個(gè)PMOS 管、1 個(gè)肖特基二極管和2 個(gè)NOMS管組成電源切換電路。外部電源供電支路采用雙PMOS 管背靠背的方式為系統(tǒng)供電，這樣可以降低能量損耗及減小電壓降；超級(jí)電容供電支路采用肖特基二極管和PMOS 管組合的方式給系統(tǒng)供電，可有效避免在電源切換過(guò)程中出現(xiàn)的電壓倒灌問(wèn)題，有效保證系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及連續(xù)性。

對(duì)于PMOS 管及肖特基二極管的選型需要根據(jù)系統(tǒng)的功耗以及供電電壓進(jìn)行參數(shù)選擇。PMOS 主要關(guān)注RDS、VGS、VDS、ID、PD、RθJA這幾個(gè)參數(shù)，肖特基二極管主要關(guān)注VRRM、IF、VF、IRRM、RθJA這幾個(gè)參數(shù)。

圖7 電源切換電路

■2.7 MCU 電路

本方案中MCU 電路主要功能為：（1）獲知超級(jí)電容溫度狀態(tài)；（2）系統(tǒng)電源供電狀態(tài)；（3）上報(bào)系統(tǒng)狀態(tài)。

獲知超級(jí)電容溫度狀態(tài)功能是通過(guò)接收測(cè)溫比較器輸出的信號(hào)獲知超級(jí)電容的溫度狀態(tài)。

系統(tǒng)電源供電狀態(tài)功能是通過(guò)接收電壓比較電路輸出的信號(hào)獲知系統(tǒng)供電狀態(tài)。

上報(bào)系統(tǒng)狀態(tài)功能是接收超級(jí)電容溫度狀態(tài)和系統(tǒng)供電狀態(tài)，并將這些狀態(tài)上報(bào)給上位機(jī)，最終有上位機(jī)來(lái)顯示和作出判斷。當(dāng)系統(tǒng)供電切換到超級(jí)電容供電時(shí)主機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)流程，最終實(shí)現(xiàn)安全關(guān)機(jī)。圖8 為開(kāi)關(guān)機(jī)指令流程圖。

圖8 開(kāi)關(guān)機(jī)指令流程圖

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)本方案使用12V 外部電源和4 節(jié)10F/2.7V 超級(jí)電容串聯(lián)進(jìn)行測(cè)試。主要關(guān)注：（1）超級(jí)電容是否可以正常充放電；（2）超級(jí)電容溫度狀態(tài)是否可以正常上報(bào)；（3）風(fēng)扇及電阻絲是否可以正常工作；（4）兩個(gè)電源切換過(guò)程中供電電壓是否發(fā)生震蕩；（5）系統(tǒng)是否可以正常關(guān)機(jī)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，使用示波器測(cè)量系統(tǒng)供電波形如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)供電波形

4 結(jié)論

本文提出了一種超級(jí)電容充放電管理方案，該方案實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容選型、超級(jí)電容充放電管理、超級(jí)電容溫度監(jiān)測(cè)與管理及控制、系統(tǒng)供電的切換以及系統(tǒng)在斷電過(guò)程中的安全關(guān)機(jī)等功能。本方案可在實(shí)際產(chǎn)品中進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，能夠使相關(guān)需要異常關(guān)機(jī)保護(hù)功能的系統(tǒng)得到一個(gè)完善、魯棒的解決方案。