基于鋰電池與超級電容的雙電源管理系統＊

王 洋，楊冠魯

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

基于鋰電池與超級電容的雙電源管理系統＊

王 洋，楊冠魯

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門 361021）

提出了一種基于鋰電池與超級電容的雙電源管理系統，將鋰電池與超級電容相結合共同構成雙電源系統，利用超級電容儲能具有電能容量大、電功率密度較高、充放電循環次數多、適用溫度范圍大等優勢，將超級電容與鋰電池相結合，進一步提高了電源充放電的效率，從而提高了電源的利用率。在此基礎上，基于超級電容開發出了一種受單片機智能控制的超級電容與鋰電池雙電源管理系統，以實現快速充放電，同時驅動負載目標。測試結果表明，該系統可以實現對雙電源的精確、安全控制，可達到一定的節能減排目標。

超級電容；鋰電池；雙電源；智能控制

目前，環境問題與能源問題已成為制約人類社會可持續發展的兩大障礙。為了實現社會的可持續發展，需要大力發展新型可再生新能源以及相關材料。作為一種新型儲能裝置的超級電容器，具有電能容量大、功率密度高、充放電循環壽命長、溫度運行范圍大、不含有毒金屬等優點。因此，超級電容器受到了科學界的廣泛關注，并且對其開展了大量的研究，在微電網發電方面、電動汽車領域、信息通訊領域、信息監測、電源等領域有廣泛的應用，成為了當今社會能源領域研究的新熱點。

本文基于超級電容開發出了一種受單片機智能控制的超級電容與鋰電池雙電源管理系統，以實現快速充放電，同時驅動負載的目標。

本設計所實現的雙電源管理系統正是為了響應國家節能環保的號召，使用超級電容與鋰電池共同構成雙電源系統，已達到了一定的節能減排目標。

1 技術方案

1.1 系統結構

雙電源管理系統主要由超級電容組模塊、充放電模塊、鋰電池模塊、負載模塊、單片機控制模塊組成。其中，通過使用單片機實現對雙電源系統的智能控制，進而實現外部電源在給超級電容進行充電時的實時監測與調控。當系統檢測到超級電容模塊的電量達到預定值后，單片機控制繼電器自動切斷與充電電源的連接，通過使用超級電容模塊作為電源對鋰電池模塊進行充電；當系統檢測到鋰電池模塊充滿電后自動斷開充電電路，然后使用鋰電池和超級電容供給負載電能，驅動負載電路。

1.2 超級電容充放電模塊

1.2.1 超級電容充放電模塊的設計

對于超級電容器的充放電效率，主要是由超級電容組充電時的最大電壓、串聯的等效電阻、放電時的深度、充放電的功率等決定。本次系統設計主要是采用恒電流模式進行充電，使用5V/1A的電源對超級電容單體（3V，150F）充電，每一次充電的時間為80s。

1.2.2 超級電容放電DC/DC結構

當使用超級電容作為儲能元件時，為了確保使用安全，超級電容模塊應先接入DC/DC變換器后，才能接入供電的電路。在對超級電容進行充放電時，電容兩端的電壓將會出現很大的波動，因此，在系統設計中，超級電容先接入DC/DC變換器，通過DC/DC變換器將電路的電壓穩定后，才能使超級電容接入電源電路。本次系統設計采用的DC/DC變換器是由中國臺灣芯派半導體股份有限公司制造的芯片SP1208，SP1208作為一款高效率的直流穩壓升壓芯片，其允許可輸入電壓值范圍為2～24V，芯片最高可升壓至28V，其內部集成有100mΩ的金屬氧化物、極低的RDS內阻、MOSFET等，可以允許2A的大電流通過。SP1208應用電路非常簡單，外圍器件極少，振蕩頻率為1.2MHz，效率高達95%，該電路具有短路保護、過熱保護等功能。

1.3 超級電容組模塊

對于單個超級電容器而言，其耐電壓值只有3V左右，3V的耐壓值遠遠不能滿足儲能模塊的設計要求。因此，在本次系統設計中將多個超級電容器組合在一起構成超級電容組模塊，以滿足系統需求。但對于串聯后的各個超級電容器單體，其內部的系統參數會出現較大的偏差，比如電容器的漏電流、電容的容量偏差、ESR的不一致都會使超級電容組模塊中的單體充電電壓不一致。

為了確保超級電容儲能模塊中的各個組成電容器的內部參數基本一致，本次系統設計了平衡模塊中各個電容器單體的平衡電壓電路，將其配備在超級電容器組中的每個超級電容器單體上。

然而，對于普通的電容器而言，因其通常情況下是與電源連接在一起的，漏電流可以忽略不計，所以，在對其串聯使用時，并不需要為其設計相應的平衡電路，只需要在普通電容器的兩端并聯上與之相對應的電阻，通過并聯的電阻分流即可。但對于作為儲能元件的超級電容器組，過大的漏電流會使超級電容器內存儲的電能消耗過大。

由于使用超級電容儲能陣列的目的是用于吸收母線上多余的能量，則對于超級電容組模塊的設計應該遵循下面幾個原則：①對于超級電容組兩端的電壓而言，直流母線電壓的額定值應比超級電容的大，因為超級電容單體兩端的電壓比較低，過大的電壓需要很多超級電容串并聯組合，這不僅提高了系統成本，也會使超級電容組的均壓均流問題變得更加復雜；②超級電容組兩端的電壓一般在其最大耐壓值的50%～100%范圍內變化，因此，超級電容組儲存的能量一般為總能量的75%.

1.4 充電芯片的選擇

芯片TP4056是采用恒電流與恒電壓模式進行線性控制的充電電路芯片。在芯片的底部，裝有散熱片的封裝SOP8/MSOP8以及較少的外部元件，這樣就使得芯片TP4056可以廣泛地應用在便攜式電源。芯片TP4056可以在USB電源和適配器電源下工作。

由于在芯片TP4056內部采用了防倒充電路和MOSFET架構，所以，在芯片外部不需要安裝隔離二極管。芯片的熱反饋效應可以自動調節儲能元件的充電電流。當芯片工作環境溫度較高或芯片在進行大功率操作時，可以對芯片的工作溫度進行調節。芯片工作時對儲能元件的充電電壓為4.2V，而對儲能元件充電時的充電電流的設置是通過一個電阻器在外部進行設置的。當對儲能元件的充電電流達到最終浮充電壓后，芯片將充電的電流降到初始設定電流值的10%，芯片TP4056將停止對儲能元件的充電；當停止對儲能元件的充電后，芯片TP4056會將給儲能模塊的充電電流模式調整成低電流充電模式，電池的漏電流在這種模式下將降至2μA以下。即使系統在連接電源的情況下，芯片TP4056仍可將系統處于停機的模式，供電的電流大小在這種模式下會降低至55μA。在系統的電路設計中，充電電流的電流值是通過一個連接在PROG引腳與接地端之間的電阻器設置的。

2 溫度傳感器模塊

在超級電容與蓄電池模塊工作時，本設計通過溫度傳感器模塊對其工作溫度進行實時監控。本次設計使用的溫度傳感器模塊為線性NTC溫度傳感器。

對于線性NTC溫度傳感器，是一種對溫度系數可以線性化輸出的傳感器，這與其他傳統的熱敏電阻的工作原理不同，它可等效看作是一種將溫度線性地轉為電壓信號的轉換元件，在額定工作電流下，元件兩端的電壓值隨溫度呈線性變化，從而實現了非電量到電量的線性轉換，其轉換的基本規律為：

式（1）中：V0為傳感器兩端電壓值；V（0）為傳感器在0℃時的電壓值，又稱為基準電壓；S為電壓溫度系數，mV/℃；T為攝氏溫度。

3 實驗結果

我們所設計的使用超級電容將實現雙電源管理功能的成品，可以達成的設計目標如下：該設備可以通過外部5V電源給設備供電，設備自帶5V升壓模塊，可以將5V電源升壓至12V電壓，最大輸入電流可達到5A；該設備可以在升壓過后直接給超級電容充電，將大量電荷快速充進超級電容。我們的設備能夠在超級電容充滿電之后自動切斷外部供電，之后會將超級電容緩慢放電，將電充進18650鋰電池，同時，當超級電容放電至低于4V后，超級電容后的DC升壓模塊會將超級電容的輸出電壓升壓，盡量地將超級電容的電量放光，提升每次充電的效率。

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U469.7

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.005

2095－6835（2017）17－0005－02

王洋（1991—），男，山西運城人，華僑大學在讀碩士研究生，研究方向為智能電網技術。楊冠魯（1960—），男，教授，碩士生導師，研究方向為智能電網技術。

〔編輯：張思楠〕

福建省科技計劃項目“智能配電網電能管理監控系統的研發”（編號：2014H0031）