超級電容充電方法研究

那凱鵬，劉國忠，楊宇飛

（山西科泰微技術有限公司 山 西 太 原 0 30006）

超級電容器是20世紀70年代發展起來的一種介于電池和傳統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，易于維護等優點。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，可以應用在傳統電池不足之處和短時高峰值電流之中[1]，同時超級電容具有充放電次數多，存儲周期長，無需定期維護的優點，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計的IC產品，這些器件擁有輸入或輸出電流限制、自動電池平衡以及眾多的保護功能，但該類產品僅僅能提供單個或兩個串聯電容的充電控制，無法對多個串聯超級電容的充電，實際工程應用中，需要將多個超級電容串聯，提供更高的工作電壓與更多的能量。目前，常用的針對多個串聯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，其優點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脫落及電能的損失，其缺點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間縮短。在允許的最大充電電流范圍內，充電電流越大，充電時間越短。但若在充電后期仍保持充電電流大小不變，將導致電解液析出氣泡過多而呈現出沸騰狀態，這不但浪費了電能，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廢[2]。

3)MCU采集控制方法：采用MCU實時檢測超級電容組的端電壓，分析和處理，得到相對應的PWM控制信號來控制主回路開關管的開通和關斷，從而改變充電電流的大小。其優點是能夠彌補1)和2)方法的缺點，缺點是需要MCU干預，電路復雜，成本高。

因此，設計能夠彌補1)和2)方法缺點且無需MCU干預的充電電路，對于超級電容在實際工程中的應用具有指導意義。

1 需求分析和設計方案

1.1 需求分析

在實際項目開發中，產品工作分為兩個階段：第一階段由系統電源提供28 V DC供電，工作至少180 s；第二階段由產品自供電，工作至少90 s。系統電源的帶載能力有限，要求產品電流不能超過1 A。

1.2 設計方案

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稱容量的30%到50%，并每6個月充電一次[3]，需要耗費較多的人力資源。如果采用超級電容在第一階段進行充電，第二階段為項目產品提供供電，能夠滿足設計要求。所以，需要設計具有充電、放電和改變充電策略等功能的超級電容充電裝置。設計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。在低壓時通過檢測充電電流，調節充電電壓，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，采用多節超級電容串聯。根據以上技術要求，設計了超級電容充電裝置，其技術參數如表1所示。

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

2 超級電容充電裝置電路設計

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，負載電路負責驗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)開關型集成穩壓芯片，電壓輸入范圍：5．5～36 V，可提供3A連續電流輸出(峰值電流可達4 A)。輸出通過100 mΩ的MOSFET開關，效率高達95%。它集成了固定頻率振蕩器(500 Hz)和基準穩壓器(1．22 V)，通過調節VSEN腳至1．22 V控制寬范圍輸出，初始精度達到1．5%[4]。并具有完善的保護電路，包括過流保護及過熱保護電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。

2.2 充電控制電路的選型

充電控制電路選用AD公司的電流檢測運算放大器AD8210YRZ。AD8210YRZ可提供高電壓接口，并能夠在分流電阻上進行雙向電流監控，從而簡化高端電流監控。它具有高共模抑制(CMR)特性和出色的溫度性能，可在應用中實現最佳精度。該器件放大經分流電阻流至負載的電流，并提供以地為參考、與負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

設計中選用韓國VINA公司的超級電容器VEC 2R7 156 QG。

其主要特點有：

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 電容數量及連接方法

為了滿足放電能力要求，在設計中采用10個超級電容器串聯的方法。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)×電源模塊轉換效率=放電電壓×放電電流×放電時間，經計算，能夠滿足設計要求。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更快。為防止法拉電容因為充電電壓過高損壞，在每兩個法拉電容旁并聯一個5．6 V穩壓管進行保護[6]。

電容長時間在相反的極性下工作，不僅會縮短壽命，而且會發生嚴重的損毀，例如電解液可能會發生泄漏。由于超級電容量的差異，每個電容儲存的電荷量是不均衡的，在放電過程中，個別電容就可能出現負壓，電容極性改變。為了防止上述情況發生，可在每個電容兩端并聯一個分壓電阻。

2.4 設計思路

電路設計充電電流為600 mA，通過電阻R1將電流轉換為電壓信號，并經過內部穩定20倍增益輸出。AD8210YRZ芯片輸出VOUT如式1。

TPS5430DDA通過調節 VENSE腳至1．22 V控制輸出，所以電路設計如圖3所示，R2短路，R3不焊接。

充電初期，當充電電流小于(大于)600 mA時，SENSE端電壓小于(大于)1．22 V，TPS5430DDA 內部調節升高(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芯片失去調節作用，進入恒壓充電階段。

圖3 電路設計簡圖Fig.3 Thesimple circuit design

充電電流設置公式為：R3/(R2+R3)=0.6/I，其中R2和R3為圖3中電阻，I為設計充電電流。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 試驗結果

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

經過VSENSE的控制，電容充電電壓穩步增長，電容充電電壓檢測如圖4所示。電流表值也都穩定在600 mA左右變化，最大達到680 mA。充電時間為103 s，小于第一階段工作的180 s，滿足設計要求。

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左右調整，當充電完成后，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，電容組放電電壓檢測如圖6所示。放電時間為104s，滿足設計要求。

圖6 電容放電情況測試結果Fig.6 Capacitor discharge test results

3 結論

本文詳細闡述了超級電容充電裝置電路的設計過程，充電電路改進了以往設計中需要通過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行了測試。經過常態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，超級電容充電裝置性能良好，各項指標滿足設計要求。該產品成本低，實用性強，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].內蒙古科技與經濟,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技術的光伏充電控制器研究[D].北京:北京交通大學.2011:26-27.