基于超級電容的直流不間斷電源設計

聞 超，邱瑞昌，趙曉紅，韓嘯一（北京交通大學電氣工程學院，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往往是在電網斷電或電網電壓瞬時跌落最初的幾秒、幾分鐘起決定作用，蓄電池在這段時間內提供電能。由于蓄電池存在使用壽命短、需要定期維護、對環境溫度敏感等缺點，UPS在運行中需要時刻注意蓄電池的狀態，不能大電流充放電，不能帶感性負載（如電動機）等。可以說蓄電池自身的缺點是限制UPS應用領域和使用壽命的主要原因。

超級電容器是近幾十年來，國內外發展起來的一種介于常規電容器與化學電池二者之間的新型儲能元件。它具備傳統電容器的放電功率，也具備化學電池儲備電荷的能力。容量可達數千法拉，與可充電蓄電池相比，超級電容器是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置，應用領域十分廣闊。

本文設計了一種基于超級電容的直流UPS，功率為100 W，主要由整流器、濾波器、超級電容器組、充放電電路等組成，其結構框圖如圖1所示。

1 超級電容器的特性

超級電容器的基本原理是利用電極和電解質之間形成的界面雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。當電極和電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力或者原子間力的作用，使固液界面出現穩定的、符號相反的兩層電荷，稱為界面雙電層[1]。這種電容器的儲能是通過使電解質溶液進行電化學極化來實現的，并沒有產生電化學反應，儲能過程是可逆的。超級電容器是介于傳統物理電容器和電池之間的一種較佳的儲能元件，與蓄電池相比其巨大的優越性表現為：（1）比功率高，可達300～5 000W/kg，相當于蓄電池的5～10倍。（2）充放電循環壽命長，可大電流充放電。超級電容器在充放電過程中沒有發生電化學反應，其循環壽命可達萬次以上。而目前常用的密封式鉛酸蓄電池的循環壽命只有幾百次，使用壽命大約為3～5年。（3）充電時間短。超級電容完全充電只需數分鐘甚至幾十秒鐘；而蓄電池則需要數小時才能完成充電。（4）免維護。超級電容的維護工作極少，可實現真正的免維護，而蓄電池所謂的“免維護”僅指使用期間無需加水，在實際工作中仍必須進行定期維護。（5）對工作環境溫度不敏感。超級電容器正常工作時的溫度范圍為-40～65℃，而蓄電池則對溫度的要求較高，標準使用溫度為25℃，一般不能超過15～30℃的范圍。（6）檢測方便。超級電容的容量與其端電壓有著嚴格的對應關系。而蓄電池的容量檢測，不論是離線式還是在線式，都需要進行繁瑣的工作。

2 超級電容器組容量的計算

超級電容器的等效模型[2]如圖2(a)所示，其中C為理想電容器，ESR(equivalentseries resistance)為等效串聯內阻，EPR(e-quivalentparallel resistance)為等效并聯內阻。ESR的存在影響超級電容的充放電效率，降低超級電容的有效儲能。EPR代表超級電容器的漏電流，影響電容的長期儲能性能，通常可以達到幾十千歐，所以在實際工作中可以忽略。故將模型簡化為C與ESR的串聯形式，如圖2(b)所示。

圖2 超級電容等效模型

超級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，因而通常由多個超級電容通過串并聯組成超級電容模塊，以滿足電壓等級和能量的需要。由于超級電容放電不完全，存在最低工作電壓Umin，所以單體超級電容的最大輸出能量為：

式中：Umax為超級電容充電完成后的電壓值，假設超級電容m個串聯，n個支路并聯，則超級電容組輸出的最大能量為：

3 超級電容串聯均壓措施

由于超級電容內部參數的不一致性，在充放電過程中導致超級電容器的工作電壓不平衡，嚴重影響了系統的安全性、使用壽命和穩定性，所以在串聯使用中需要對其進行均壓。目前常用的串聯均壓措施有兩大類：

（1）通過阻性器件消耗能量的方法，如并聯電阻法、穩壓管法[3]、開關電阻法[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熱的形式消耗在電阻或穩壓管上，以達到均壓目的，該方法發熱嚴重，能耗較大。由于成本的優勢，能量消耗型均壓方法被應用較多，適用于充放電功率較小的場合。

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

超級電容的串聯均壓設計應綜合成本、功率、控制等各方面的因素，合理的選擇均壓措施。本文設計的UPS功率較小，所以采用開關電阻法進行串聯均壓，如圖3所示，當電容兩端的電壓超過預設參考值UREF時，比較器觸發開關S閉合，電流流過旁路電阻R和開關S，減緩或阻止了電容電壓的繼續上升。根據電容容量的分散性和充電電流的大小，可確定一個最優的UREF和R的值，使電容的儲存能量和效率達到極大值。

圖3 超級電容均壓電路

4 超級電容器組儲能系統的設計

4.1 充電電路

對超級電容器組的充電采用先恒流后恒壓的充電策略，即在未達到額定電壓值前采用恒流充電，達到額定電壓值后改為恒壓浮充，防止單體超級電容過充而造成損壞，并補償由于EPR引起的能量損耗。考慮到本設計的UPS功率較小，充電電路拓撲采用正激變換器。針對以上要求，充電電路采用電流型PWM控制芯片TL3844構成電壓、電流雙閉環反饋進行控制，如圖4所示。

圖4 充電控制電路圖

其中，SC+為超級電容器組的正極，SC-為超級電容器組的負極，Is為充電電路的變壓器初級繞組電流。采用TL431和PC817構成穩壓反饋，將TL3844的2腳接地，PC817A的三極管集電極直接接在1腳，跳過芯片內部的誤差放大器，減少了傳輸時間，使電源的動態響應更快。電阻R6將充電電路的變壓器初級繞組電流Is取樣后，經C5濾波后送入3引腳形成電流閉環反饋。

4.2 放電電路

當市電斷電或低于設定值時，要求UPS對負載恒壓放電，即超級電容器組對負載恒壓放電。雖然超級電容器的比功率大，但是能量密度較低，當放電電流較大時，能量損失較快，超級電容器兩端電壓下降較快，因此要改變占空比來提高升壓比，以維持輸出電壓恒定。控制芯片采用TL3842，由于采用峰值電流控制方式，當其輸出的PWM占空比大于50%時，系統不能穩定工作，主要表現為擾動信號產生的誤差被逐漸放大以及輕載和空載時電源失控，必須加入斜坡補償電路，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。斜坡補償采用的方法是在電流反饋電壓處加入斜坡補償電壓，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的電流檢測的3引腳。

5 實驗及測試結果

基于上述分析和設計，在實驗室制作了一臺功率為100 W的樣機，樣機的主要參數：交流輸入電壓范圍AC 176～264 V，直流輸入范圍（超級電容器組端電壓）為DC 6～15 V，市電低于AC 176 V或斷電時輸出電壓為DC(250±10)V，掉電工作時間為4m in。需要超級電容提供的能量為24 kJ。選用650 F/2.7 V的超級電容，充滿電后超級電容器組的端電壓限制為15 V，即單體超級電容端電壓為2.5 V；放電結束后端電壓限制在6 V，即單體超級電容端電壓為1 V。經計算可得，需要6個超級電容串聯，2個這樣的支路并聯組成超級電容器組儲能模塊。

圖6為超級電容器組充電時其兩端電壓的波形，圖7為超級電容器組放電時的端電壓波形。超級電容器組端電壓充電時最高電壓為15 V，放電時端電壓最低為6 V，整個充電過程僅需3min左右，充電速度快。

圖6 超級電容器組充電時端電壓波形

圖7 超級電容器組放電時端電壓波形

圖8 輸出電壓波形

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

6 結論

本文提出的基于超級電容的直流不間斷電源，具有電路結構簡潔、系統成本低、控制方法簡單等優點。超級電容器可根據儲能系統的電壓、輸出功率和能量的要求，進行相應的串并聯組合，易于擴展，在短時放電的場合可取代傳統UPS中的蓄電池，實現真正的免維護，應用前景十分廣闊。

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