超級電容充電方法研究

那凱鵬，劉國忠，楊宇飛

（山西科泰微技術(shù)有限公司 山 西 太 原 0 30006）

超級電容器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能器件，具有功率密度大，充電速度快，容量高，可逆性好，使用壽命長，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。作為一種儲能元件，超級電容的充放電曲線更接近于電容器而不是電池，可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池不足之處和短時(shí)高峰值電流之中[1]，同時(shí)超級電容具有充放電次數(shù)多，存儲周期長，無需定期維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，是替代鋰電池的最佳方案。雖然市場上具有一些專為給超級電容器充電而設(shè)計(jì)的IC產(chǎn)品，這些器件擁有輸入或輸出電流限制、自動(dòng)電池平衡以及眾多的保護(hù)功能，但該類產(chǎn)品僅僅能提供單個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)電容的充電控制，無法對多個(gè)串聯(lián)超級電容的充電，實(shí)際工程應(yīng)用中，需要將多個(gè)超級電容串聯(lián)，提供更高的工作電壓與更多的能量。目前，常用的針對多個(gè)串聯(lián)電容的充電方法主要有：

1)恒定電壓充電法：在充電過程中，充電電壓始終保持不變的方法叫做恒定電壓充電法，其優(yōu)點(diǎn)是可避免充電后期由于充電電流過大造成的極板活性物質(zhì)脫落及電能的損失，其缺點(diǎn)是由于充電初期充電電流過大，容易使電容極板彎曲，造成電容報(bào)廢。

2)恒定電流充電法：在充電過程中，充電電流始終保持不變的方法叫做恒定電流充電法，此方法使電容充電時(shí)間縮短。在允許的最大充電電流范圍內(nèi)，充電電流越大，充電時(shí)間越短。但若在充電后期仍保持充電電流大小不變，將導(dǎo)致電解液析出氣泡過多而呈現(xiàn)出沸騰狀態(tài)，這不但浪費(fèi)了電能，而且容易使電池溫升過高，造成電容存儲容量下降而提前報(bào)廢[2]。

3)MCU采集控制方法：采用MCU實(shí)時(shí)檢測超級電容組的端電壓，分析和處理，得到相對應(yīng)的PWM控制信號來控制主回路開關(guān)管的開通和關(guān)斷，從而改變充電電流的大小。其優(yōu)點(diǎn)是能夠彌補(bǔ)1)和2)方法的缺點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要MCU干預(yù)，電路復(fù)雜，成本高。

因此，設(shè)計(jì)能夠彌補(bǔ)1)和2)方法缺點(diǎn)且無需MCU干預(yù)的充電電路，對于超級電容在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 需求分析和設(shè)計(jì)方案

1.1 需求分析

在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中，產(chǎn)品工作分為兩個(gè)階段：第一階段由系統(tǒng)電源提供28 V DC供電，工作至少180 s；第二階段由產(chǎn)品自供電，工作至少90 s。系統(tǒng)電源的帶載能力有限，要求產(chǎn)品電流不能超過1 A。

1.2 設(shè)計(jì)方案

自供電常用鋰電池，但是鋰電池廠商要求，貯存的鋰電池電量保持為標(biāo)稱容量的30%到50%，并每6個(gè)月充電一次[3]，需要耗費(fèi)較多的人力資源。如果采用超級電容在第一階段進(jìn)行充電，第二階段為項(xiàng)目產(chǎn)品提供供電，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。所以，需要設(shè)計(jì)具有充電、放電和改變充電策略等功能的超級電容充電裝置。設(shè)計(jì)充分利用超級電容器的儲能特性，采用靈活的組合充電方式。在低壓時(shí)通過檢測充電電流，調(diào)節(jié)充電電壓，保持超級電容恒流充電，隨著超級電容器端電壓升高逐漸等于系統(tǒng)供電電壓，充電速度減慢，充電電流逐漸降低。為了滿足自供電要求，采用多節(jié)超級電容串聯(lián)。根據(jù)以上技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了超級電容充電裝置，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 超級電容充電裝置主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of super capacitor charging device

2 超級電容充電裝置電路設(shè)計(jì)

超級電容充電裝置由充電供電電路，充電控制電路和超級電容組組成，負(fù)載電路負(fù)責(zé)驗(yàn)證該充電裝置的性能。超級電容充電裝置原理框圖如圖1所示。

圖1 超級電容充電裝置原理框圖Fig．1 The principle diagram of super capacitor charging device

2.1 充電供電電路的選型

充電供電電路選用TI公司的TPS5430DDA。TPS5430DDA是降壓(step－down)開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，電壓輸入范圍：5．5～36 V，可提供3A連續(xù)電流輸出(峰值電流可達(dá)4 A)。輸出通過100 mΩ的MOSFET開關(guān)，效率高達(dá)95%。它集成了固定頻率振蕩器(500 Hz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1．22 V)，通過調(diào)節(jié)VSEN腳至1．22 V控制寬范圍輸出，初始精度達(dá)到1．5%[4]。并具有完善的保護(hù)電路，包括過流保護(hù)及過熱保護(hù)電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

2.2 充電控制電路的選型

充電控制電路選用AD公司的電流檢測運(yùn)算放大器AD8210YRZ。AD8210YRZ可提供高電壓接口，并能夠在分流電阻上進(jìn)行雙向電流監(jiān)控，從而簡化高端電流監(jiān)控。它具有高共模抑制(CMR)特性和出色的溫度性能，可在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳精度。該器件放大經(jīng)分流電阻流至負(fù)載的電流，并提供以地為參考、與負(fù)載電流成比例的輸出電壓。初始化增益：20 V/V[5]。

2.3 超級電容組

2.3.1 超級電容組特點(diǎn)

設(shè)計(jì)中選用韓國VINA公司的超級電容器VEC 2R7 156 QG。

其主要特點(diǎn)有：

a)ESR：33 mΩ；

b)最大充放電電流：13．5 A；

c)端電壓：2．7 V；

d)漏電流：0．053 mA；

e)容量：－10～+30%。

2.3.2 電容數(shù)量及連接方法

為了滿足放電能力要求，在設(shè)計(jì)中采用10個(gè)超級電容器串聯(lián)的方法。電容儲存能量(J)=(CU2)/2，可輸出能量(J)=(放電前儲能－放電后儲能)×電源模塊轉(zhuǎn)換效率=放電電壓×放電電流×放電時(shí)間，經(jīng)計(jì)算，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。超級電容連接方法如圖2所示。

圖2 超級電容連接方法Fig．2 Connection methods of super capacitor

施加電壓低于額定電壓會(huì)使得超級電容器的壽命延長，而施加電壓高于額定電壓，則超級電容器的壽命將縮短，甚至壽命縮短的速度會(huì)更快。為防止法拉電容因?yàn)槌潆婋妷哼^高損壞，在每兩個(gè)法拉電容旁并聯(lián)一個(gè)5．6 V穩(wěn)壓管進(jìn)行保護(hù)[6]。

電容長時(shí)間在相反的極性下工作，不僅會(huì)縮短壽命，而且會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的損毀，例如電解液可能會(huì)發(fā)生泄漏。由于超級電容量的差異，每個(gè)電容儲存的電荷量是不均衡的，在放電過程中，個(gè)別電容就可能出現(xiàn)負(fù)壓，電容極性改變。為了防止上述情況發(fā)生，可在每個(gè)電容兩端并聯(lián)一個(gè)分壓電阻。

2.4 設(shè)計(jì)思路

電路設(shè)計(jì)充電電流為600 mA，通過電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)過內(nèi)部穩(wěn)定20倍增益輸出。AD8210YRZ芯片輸出VOUT如式1。

TPS5430DDA通過調(diào)節(jié) VENSE腳至1．22 V控制輸出，所以電路設(shè)計(jì)如圖3所示，R2短路，R3不焊接。

充電初期，當(dāng)充電電流小于(大于)600 mA時(shí)，SENSE端電壓小于(大于)1．22 V，TPS5430DDA 內(nèi)部調(diào)節(jié)升高(降低)輸出電壓，以保證充電電流保持在600 mA。充電后期，超級電容端電壓接近于VIN，充電電流降低，AD8210YRZ芯片失去調(diào)節(jié)作用，進(jìn)入恒壓充電階段。

圖3 電路設(shè)計(jì)簡圖Fig.3 Thesimple circuit design

充電電流設(shè)置公式為：R3/(R2+R3)=0.6/I，其中R2和R3為圖3中電阻，I為設(shè)計(jì)充電電流。如果希望充電電流為0.9 A，那么 R3/(R2+R3)=2/3，那么選擇 R2=10 kΩ，R3=20 kΩ。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

充電電路按照圖1連接完成后，打開電源開關(guān)，充電開始。通過示波器和電流表觀察電容充電狀態(tài)，并通過示波器觀察VSENSE腳的電平變化情況。

經(jīng)過VSENSE的控制，電容充電電壓穩(wěn)步增長，電容充電電壓檢測如圖4所示。電流表值也都穩(wěn)定在600 mA左右變化，最大達(dá)到680 mA。充電時(shí)間為103 s，小于第一階段工作的180 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 電容充電電壓檢測圖Fig.4 Voltage detection map of capacitor charging

在充電過程中VSENSE腳一直在1.2 V左右調(diào)整，當(dāng)充電完成后，逐步下降為0 V，AD8210YRZ芯片起到了控制作用，VSENSE控制總體變化圖如圖5所示。

圖5 VSENSE控制總體變化圖Fig.5 The overall change chart of VSENSE control

斷開電源開關(guān)，電容組放電電壓檢測如圖6所示。放電時(shí)間為104s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 電容放電情況測試結(jié)果Fig.6 Capacitor discharge test results

3 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了超級電容充電裝置電路的設(shè)計(jì)過程，充電電路改進(jìn)了以往設(shè)計(jì)中需要通過MCU程序采集和分段控制電容充電的方法，采用簡單硬件電路解決了超級電容充電問題，并對充電電路的性能進(jìn)行了測試。經(jīng)過常態(tài)性能測試與高溫工作（+60 ℃，保溫 2 h）、低溫工作（-40 ℃，保溫 2 h）試驗(yàn)，超級電容充電裝置性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品成本低，實(shí)用性強(qiáng)，目前已投入使用，取得良好的效果。

[1]周新民,孫暉.新型儲能元件綜述—超級電容及其應(yīng)用[J].變頻器世界,2009(6):33-38.ZHOU Xin-min,SUNHui.The Overview of new type energy storage element-super capacitor and application[J].World of frequency transformer,2009(6):33-38.

[2]呂耀文.蓄電池充電方法的研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2009(2):96-98.LV Yao-wen.Research on battery charging method[J].Inner M-ongolia Science Technology&Economy,2009(2):96-98.

[3]天津力神電池股份有限公司.鋰離子電池的使用常識[EB/OL].[2013-04-13].http://www.lishen.com.cn.

[4]Texas Instruments incorporated．TPS5430 data sheet-Soiseek.cn[EB/OL].[2006-1-20].http://www.soiseek.cn/TPS5430/.

[5]Analog Devices incorporated．AD8210 data sheet-analog.cn.[EB/OL][2006-2012].http://www.analog.com/AD8210/.

[6]鄧仙玉.基于MPPT技術(shù)的光伏充電控制器研究[D].北京:北京交通大學(xué).2011:26-27.