基于超級電容的一種新型供電系統(tǒng)的設計

李 楠，　任永杰，　楊學友(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

基于超級電容的一種新型供電系統(tǒng)的設計

李 楠，任永杰，楊學友
(天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072)

設計了一個利用法拉級超級電容器作為儲能元件的供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由充電裝置和直流穩(wěn)壓器兩部分構成，充電裝置可以在數(shù)分鐘內將超級電容器充滿電，直流穩(wěn)壓器為用電設備提供了不同幅值的直流恒定電壓。提出了恒流充電與恒壓充電相結合的充電方式，縮短了充電時間。實驗結果表明，該系統(tǒng)可以作為傳統(tǒng)蓄電池的一種替代品，其突出優(yōu)勢是大大縮短了充電所用的時間。

超級電容器；供電系統(tǒng)；充電裝置；直流穩(wěn)壓器

傳統(tǒng)的可充電型蓄電池有三種，即鎘鎳、氫鎳和鋰離子充電電池。其中鎘鎳電池和氫鎳電池由于其化學原理上不可避免的“記憶效應”，正逐漸被淘汰。鋰離子電池雖然解決了“記憶效應”，但由于其充電過程是一個化學反應，所以充電電流不可過大，因此導致充滿電需要的時間較長。超級電容器(又叫雙電層電容)是近年來發(fā)展起來的一種新型儲能元件，由于其電容量遠大于普通電容器，可以達到上百甚至上千法拉，因此又被稱為法拉電容[1]。超級電容是一種電化學元件，但在其儲能的過程中并不發(fā)生化學反應，僅僅是一個物理過程，這種儲能過程是可逆的。它作為一種新型的儲能元件，具有很多突出的優(yōu)勢：可以大電流快速充電，內阻極低，能量密度高，循環(huán)壽命長，環(huán)保等。本實驗采用了4個相同型號的超級電容，其額定電壓2.7 V，容量500 F，將它們串聯(lián)到一起作為供電系統(tǒng)的主體，為其設計了一套前端充電系統(tǒng)和后端穩(wěn)壓裝置，并對充電電路和穩(wěn)壓電路的性能進行了相關的仿真和實驗測試。

1 原理

用平行極板電容的模型來描述超級電容，如下：

式(1)表明，超級電容的容量與電極板的有效面積成正比，而與電層的厚度成反比。當一個超級電容被制造出來以后，它的容量就是固定的。關于電容，還有兩個方程：dQ=idt和C=Q/UC，于是得到：

式中：UC為電容器正負極之間的電壓；dUC/dt表示電壓的變化率。

在理想條件下，充放電過程中電壓電流的變化如圖1所示。

圖1　　理想情況下的充放電曲線

但是實際中，超級電容是有內阻的[2]，用Req來表示其等效內阻，則有：

式(2)、式(3)結合得到：

解此微分方程可得：

由式(5)可以看出，電流隨電壓的變化出現(xiàn)一個一階延遲，因此圖1中的曲線將會變成如圖2所示的曲線。由圖2(b)可以看到，在充放電轉換瞬間，有一個電壓的突變，這是由超級電容的電阻導致的，Du=iReq。

圖2　　實際情況下充放電曲線

2 仿真

為了連線方便，采取串聯(lián)式充電的方案。本研究沒有采取充電電壓均衡系統(tǒng)方案[3]，首先，超級電容內阻極小，由內阻導致的充電截止電壓的差別也比較小；其次，超級電容沒有記憶效應，充電的不均衡不會對電容器造成不可逆的損壞。因此，本文的充電方案沒有引入均衡控制系統(tǒng)。

2.1恒流充電

圖3所示的是恒流充電的仿真電路，芯片LT1083是一個三端穩(wěn)壓芯片，它的輸出端和調整端之間電壓是恒定值，為1.25 V。因此充電電流大小為：i=1.25 V/R2=6.25 A。Q1和Q2用來放大LT1083的輸出電流。仿真結果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，充電電流是一個恒定值6.2 A，超級電容兩端電壓線性增加。圖5中的4條曲線分別表示4個不同內阻(RC1=0.002 W,RC2=0.004 W,RC3=0.006 W,RC4=0.008 W)的電容器的充電最終電壓。從圖5可以看出，串聯(lián)的各電容器單體的充電截止電壓差別非常小，最大的差別不超過0.05 V。

圖3　　恒流充電仿真電路

圖4　　恒流充電仿真結果

圖5　　電容器單體之間充電截止電壓對比

2.2恒壓充電

恒壓充電的仿真電路如圖6所示，芯片LT1083提供恒定的充電電壓，其電壓值由R2和R3的比例決定。其仿真結果如圖7所示。在實際設計中，先用恒流充電法給電容器充電，當電壓達到11.5 V時，切換到恒壓充電模式，因此圖7僅顯示了即將充滿電的充電后期的電壓電流曲線。可以看到，當電壓接近11.8 V時，充電電流急劇下降，當電壓達到12 V時，充電電流減小為0 A，充電過程結束。

圖6　　恒壓充電仿真電路

圖7　　恒壓充電仿真結果

3 系統(tǒng)結構

3.1充電系統(tǒng)

圖8展示了充電系統(tǒng)的結構組成。本文選擇了飛思卡爾的一款8位微控制器(MC9S08AC16)，作為整個充電系統(tǒng)智能管理的核心；超級電容的電壓以及電流的采樣電壓經過AD后送入單片機進行實時監(jiān)控與處理；MOS管用來實現(xiàn)恒流恒壓充電電路的切換；顯示屏上實時顯示充電參數(shù)；蜂鳴器用來報警和提示充電完成。

3.2穩(wěn)壓系統(tǒng)

圖8　　充電系統(tǒng)結構示意圖

直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的結構如圖9所示。該系統(tǒng)通過多級DC-DC直流轉換芯片，把超級電容器提供的不穩(wěn)定電壓最終轉換為+12、+5、－5 V、可調電壓四路直流穩(wěn)定電壓，為后續(xù)的不同傳感器供電[4]。

圖9　　穩(wěn)壓系統(tǒng)結構示意圖

4 實驗結果

圖10展示了實驗中的充電電壓及電流曲線，基本符合仿真結果。值得注意的是，在綠色圓圈處(恒流充電切換為恒壓充電瞬間)，超級電容的電壓會出現(xiàn)一個負的突變，這是由其內阻導致的，同時，充電電流也突然下降到1 A左右，進入恒壓充電階段，直至電壓達到12 V，充電結束，整個充電過程耗時僅為270 s左右。

圖10　　實驗中的充電電壓及電流曲線

對于DC-DC直流穩(wěn)壓電路，我們用交流電壓表對其在不同放電電流下的紋波進行了多組測試，最終得出其紋波率的平均值，見表1。結果表明，本實驗設計的穩(wěn)壓電路紋波很小，滿足傳感器對電源紋波的要求。

???????????????????????? ???/％ 50 mA?? 150 mA?? 200 mA?? 250 mA?? 1 2 V ? ? 　0 . 0 5 3 　0 . 0 4 8 　0 .0 5 0 　0 .0 6 2 5 V ? ? 　0 .1 1 0 　0 . 1 3 2 　0 .0 9 8 　0 .1 2 1 ? 5 V ? ? 　0 . 0 9 7 　0 . 1 2 0 　0 .1 1 2 　0 .1 5 3

5 結論

本文展示了一種利用超級電容作為儲能元件的新型供電系統(tǒng)的設計與實驗，對充電電路進行了仿真，對充電系統(tǒng)和穩(wěn)壓系統(tǒng)進行了實驗，結果表明本研究設計的恒流恒壓相結合的充電方式能有效縮短充電時間，多級穩(wěn)壓芯片轉換的穩(wěn)壓電源紋波率極低，具有很好的發(fā)展前景。

[1]翟楠松,張東來,徐殿國,等.超級電容國內外研究及應用現(xiàn)狀[J].儀器儀表學報,2007,28(8):1-4.

[2]儲軍,陳杰,李忠學.電動車用超級電容器充放電性能的實驗研究[J].機械,2004,31(3):20-22.

[3]張莉,張寧,李琛,等.串聯(lián)超級電容器組電壓均衡系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術,2011,34(9):8-10.

[4]CAMARA M B,GUALOUS H,GUSTIN F,et al.DC/DC converter design for supercapacitor and battery power management in hybrid vehicle applications-polynomial control strategy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(2):587-597.

Experiment of new power supply system based on supercapacitors

LI Nan,REN Yong-jie,YANG Xue-you
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A new power source system which uses supercapacitors as the energy storage element was designed.The system is made up of charging device and DC-DC converter.The charging circuit charged the supercapacitors in a few minutes and the DC-DC converter provided the sensors with different constant voltage values.The constant-current charging and the constant-voltage charging were combined.The experiment results show that our system is a good replacement of conventional batteries.

supercapacitors;power supply system;charging device;DC-DC converter

TM 53

A

1002-087 X(2016)01-0121-03

2015-06-03

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)(2012AA041-205)

李楠(1990—)，男，山西省人，碩士研究生，主要研究方向為超級電容器特性。