應(yīng)用于超級(jí)電容器的數(shù)控恒流源

王 凱， 張 莉， 李 琛

（大連理工大學(xué) 電氣工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，遼寧 大連 116024）

超級(jí)電容器是一種具有高能量密度的新型儲(chǔ)能元器件，具有比常規(guī)電容器更大的比容量，比蓄電池更高的比功率，是一種兼?zhèn)潇o電電容和電池優(yōu)良特性的新型元件[1]。它可提供超大能量，并可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放，使用壽命長(zhǎng)，環(huán)境友好，因此在混合動(dòng)力電動(dòng)車、脈沖電源系統(tǒng)和應(yīng)急電源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在諸多超級(jí)電容器的測(cè)試方法研究中，恒流循環(huán)充放電測(cè)試法是一種比較直觀、準(zhǔn)確的測(cè)試方法，也是其主要的測(cè)試方法[2]。通過(guò)在超級(jí)電容器上施加恒定的電流，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充放電試驗(yàn)，研究超級(jí)電容端電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律可以分析獲得超級(jí)電容器在不同電流下的容量、容量隨充放電電流變化的衰減程度、等效串聯(lián)電阻等參數(shù)[3]。

目前我國(guó)在超級(jí)電容器的研究方面尚處于初級(jí)階段，針對(duì)超級(jí)電容器的性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)研究手段還不完備，如缺乏大電流快速充電測(cè)試裝置等[4－5]，筆者針對(duì)超級(jí)電容器的性能測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電測(cè)試。該系統(tǒng)采用PIC18F452單片機(jī)控制，通過(guò)對(duì)輸出電流和輸出電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流值，從而提高恒流輸出的精度。由于供電電源功率的限制，系統(tǒng)的恒流輸出范圍是 0～3 A，0～110 V。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

系統(tǒng)主要由PIC系統(tǒng)、恒流充電主電路、開關(guān)電源模塊電路、電壓及電流檢測(cè)電路、液晶顯示電路、鍵盤電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Structure diagram of system

系統(tǒng)的工作流程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，先設(shè)定充電電流，首先設(shè)定充放電起止電壓值和充電電流值。然后，空載調(diào)整到設(shè)定值，啟動(dòng)充電功能。在充電工作過(guò)程中，電流檢測(cè)電路跟蹤采樣充放電電路中的實(shí)際電流值，并與設(shè)定值比較，實(shí)時(shí)步進(jìn)修正改變輸入的參考電壓值。電壓檢測(cè)電路跟蹤采樣超級(jí)電容器兩端的電壓值，與設(shè)定值比較，當(dāng)?shù)扔诨蚋哂谠O(shè)定值時(shí)則停止充電。

本恒流源可以使用單片機(jī)與電腦進(jìn)行通信，將采集到的負(fù)載的端電壓電壓和電流的實(shí)時(shí)分別采樣進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和處理，在充電結(jié)束后繪制成充電特性曲線和電流穩(wěn)定性曲線。

2 恒流源主電路

在恒流源電路中，采用運(yùn)放控制功率管的開關(guān)狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流功能，這種電路能產(chǎn)生高精度的大電流，滿足設(shè)計(jì)的要求[6]。原理圖如圖2所示。其中，Ui是控制電壓，Io輸出電流，A1、A2是LM324的兩個(gè)運(yùn)放。控制電壓是由單片機(jī)輸出，大小由用戶設(shè)定。

圖2 恒流電路原理圖Fig.2 Theory diagram of constant current circuit

Ui輸入給運(yùn)放A1，經(jīng)放大后控制MOS管的導(dǎo)通程度，產(chǎn)生輸出電流Id[7]。輸出電流在采樣電阻R4兩端產(chǎn)生采樣電壓，經(jīng)過(guò)放大反饋給運(yùn)放A1的同相輸入端，對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，起到穩(wěn)流作用。同時(shí)將采樣電阻上獲得的采樣電壓送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理對(duì)輸出控制電壓進(jìn)行二次調(diào)整。其流程圖如圖3所示。

圖3 流程圖Fig.3 Flow chart

根據(jù)理想運(yùn)放的虛短、虛斷原則，可推導(dǎo)出控制電壓Ui與輸出電流Id關(guān)系如下：

選取 R2為 1 kΩ，R1為 10 kΩ，R3為 1 Ω， 為了保證電流輸出的穩(wěn)定性R4為0.1 Ω功率為5 W的精密水泥電阻，則

即 Id≈0.909 Ui

MOSFET 選用 IRFP460，Id=20 A，Rds（on）＜0.27 Ω 方便電路進(jìn)一步擴(kuò)展電流值。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性在MOSFET管加散熱片和風(fēng)扇以及使用兩個(gè)MOSFET或多個(gè)并聯(lián)可以很好地提高電流的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行試驗(yàn)，并把所測(cè)得值繪制出圖形，如圖4所示。

圖4 參考電壓和恒流電流曲線Fig.4 Curve between reference voltage and constant current

分析圖像，可知曲線為近似線性，這反映了理論值與實(shí)際值還有一定的差距。可應(yīng)用理論值進(jìn)行輸入，然后根據(jù)與設(shè)定值的差距不斷地進(jìn)行步進(jìn)調(diào)整，來(lái)消除理論和實(shí)際值的差距。

由于運(yùn)算放大器的虛短與虛斷是應(yīng)用于絕對(duì)理想下情況[7]，因MOSFET隨著溫度的變化特性會(huì)變化，以及電阻隨溫度變化產(chǎn)生一定的變化原因，所以輸出的Id與Ui并不呈現(xiàn)絕對(duì)的線性而是近似的線性。但此系統(tǒng)構(gòu)成的恒流源由單片機(jī)對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入，以及運(yùn)放本身存在的負(fù)反饋，由于此雙重反饋，完全可以去弱化和消除前面原因?qū)﹄娏鲙?lái)的不穩(wěn)定性。

4 恒流源穩(wěn)定性試驗(yàn)

本恒流源穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)用對(duì)電容量為0.68 F，額定電壓為80 V的超級(jí)電容器充電的電壓進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)設(shè)定Id為2.135 A，由示波器采集超級(jí)電容器兩端的電壓的波形如圖5所示。

圖5 恒定2.335 A的波形Fig.5 Waveform under the current of 2.335A

由圖像可得出可應(yīng)用于超級(jí)電容器負(fù)載的充電試驗(yàn)，恒流源穩(wěn)定性能好。所測(cè)得波形線性較好。同時(shí)也可以看出恒流源精度高，可以用來(lái)作為超級(jí)電容器的恒流充電設(shè)備。

5 結(jié) 論

筆者設(shè)計(jì)了一種智能化控制的恒流充電測(cè)試裝置，可用于儲(chǔ)能元件如超級(jí)電容器和蓄電池等的恒流充電性能測(cè)試，并在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，精度高的特點(diǎn)。

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