一種超級電容充放電管理方案

顏嘉元

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇南京，210000）

0 引言

超級電容是一種儲能元件，其基本原理是利用固體（活性炭多孔電極）和液體（電解液）的界面形成的電氣雙層來代替電介質。容量的大小與在界面形成的電氣雙層成正比。超級電容儲能過程是可逆的，也正因此超級電容可以反復充放電數十萬次。

超級電容作為一種新型的儲能器件被應用到很多領域，如汽車領域、UPS 電源、行車記錄儀等。本文主要介紹一種超級電容的充放電管理方案，以便用于在需要使用到備用電源的存儲設備中，保證存儲數據的完整性。

1 工作原理

本超級電容的充放電管理方案由下面幾個部分組成：（1）超級電容電路；（2）均衡電路；（3）超級電容充電電路；（4）溫度監測及控制模塊；（5）電壓比較電路；（6）電源切換電路；（7）MCU 電路。如圖1 所示。

圖1 超級電容充放電管理系統框圖

該超級電容充放電管理方案能夠實現對超級電容進行充放電管理、系統電源切換、超級電容充放電狀態上報以及系統供電電源狀態上報等功能，可有效、精確地保證系統的電源供給，保證系統的魯棒性。

2 方案設計

■2.1 超級電容電路

超級電容的容量需要根據系統功耗以及放電時間進行選擇，可進行串并聯搭配使用。依據“電路保持工作所需能量=法拉電容減少能量”的原則，可知：

電路保持工作所需能量為：

法拉電容減少能量為：

式中：C為法拉電容的標稱容量；Uwork為系統正常工作電壓；Umin為系統能工作的最低電壓；t為電路中要求的保持時間；I為系統的負載電流。

在選擇超級電容時需要關注以下參數：（1）額定電壓；（2）額定容量；（3）ESR；（4）持續電流；（5）峰值電流；（6）72h 漏電流；（7）儲存容量；（8）使用壽命；（9）工作壽命。根據上訴公式結合實際使用條件即可得到超級電容所需容量、串并方式等結果。

多電容器并聯計算公式為：

多電容器串聯計算公式為：

■2.2 均衡電路

超級電容作為一種高效的儲能元器件，具有ESR 小、充放電速度快、能量密度高、使用壽命長及工作溫度范圍寬等優點，但受制造工藝限制的原因，超級電容在生產制作過程中，存在個體電壓、容量和ESR 等參數不一致的問題，這種不一致會導致在使用過程中存在個體過充過放超壓等現象，造成使用壽命低并可能進一步導致熱失控，最終引發火災甚至爆炸的問題。故在超級電容使用過程中需要使用均衡電路。

均衡電路分為主動均衡和被動均衡兩種。主動均衡是一種復雜的均衡方式，是通過軟硬件的方式在超級電容充放電階段將電能平均分配到各個超級電容單體中。被動均衡一般是采用電阻放電的方式將每個超級電容的容量、電壓保持在一個平均的水平。主動均衡具有均衡精準、損耗小等特點，但主動均衡成本高。被動均衡具有電路簡單、損耗大、成本低等特點。因本方案中超級電容較少，考慮到成本因素，故采用被動均衡方案，使用1kΩ 電阻與一個超級電容并聯后再將4 組超級電容串聯的方式進行超級電容均衡。電阻需要選擇高精度電阻，保證每個超級電容獲得的電壓不超過額定電壓。均衡電路如圖2 所示。

圖2 均衡電路

■2.3 超級電容充電電路

超級電容充電需要采用不超過額定電壓的直流電壓進行充電，可采用限流、恒流、恒功率、恒電壓等多種充電方式。超級電容充電電流計算公式如下：

超級電容充電可選擇下面幾種方式進行實現：（1）線性充電器；（2）開關降壓模式充電器；（3）改進型鋰電池充電器；（4）升降壓充電器。本方案中采用電阻+三極管+二極管的方式對超級電容進行充電。該方式為線性充電器方式，具有結構簡單、成本低等特點。電路中通過電阻和二極管共同作用的方式對充電電流進行限制。初始時Vcap點的電壓為0V，PNP 三極管Q1 的基極和射極之間的電壓VBE 由二極管D1、D2 設定，超級電容充電電流ICHG=(10.8V_SB-VCE)/2，隨著超級電容充電后，Vcap點的電壓增加，ICHG減小，最終達到平衡狀態。

圖3 超級電容充電電路

■2.4 溫度監測及控制模塊

超級電容在充放電過程中會受到環境溫度的影響，溫度過高時充電會造成內部電解液過于活躍，導致超級電容鼓包甚至發生爆炸引起火災；溫度過低時放電會出現電解液活性不足，導致容量無法得到充分釋放的問題。本方案中設計了超級電容溫度監測及控制模塊，實時監測超級電容溫度，并通過電阻絲加熱和風扇散熱的方式對超級電容的溫度進行控制。圖4 為溫度監測及控制模塊的系統框圖。

圖4 溫度監測及控制模塊

2.4.1 測溫電路

測溫電路的主要作用為監測超級電容的實時溫度。圖5 為測溫電路的系統框圖，采用NTC 電阻的方式對超級電容的溫度進行測量，將NTC 電阻分得的電壓進比較器進行比較，通過比較器設置測量溫度的范圍，最后將比較器比較后輸出的結果用于控制風扇的開關和電阻絲加熱的開關，并將輸出結果上報到MCU，告知目前模塊的狀態。

圖5 測溫電路

2.4.2 風扇

風扇在該模塊中的主要作用為散熱，溫度高于超級電容使用溫度時開啟風扇對超級電容進行散熱。風扇的開關采用MOS 管的方式，比較器輸出的信號用于控制MOS 管的開啟和關閉，最終實現對風扇開啟和關閉的控制。

2.4.3 電阻絲加熱電路

電阻絲加熱電路在該模塊中的主要作用為給超級電容進行加熱，電阻絲采用薄膜型電阻絲貼于超級電容表面，對超級電容進行均勻加熱。電阻絲的開關采用繼電器的方式，比較器輸出的信號用于控制繼電器的開啟和關閉，最終實現對電阻絲開啟和關閉的控制。

■2.5 電壓比較電路

本方案中系統可通過兩個電源進行供電：（1）外部電源；（2）超級電容。給系統供電時需要對兩個供電電源進行管理，當有外部電源輸入時系統使用外部電源進行供電，并且使用外部電源對超級電容進行充電；當外部電源突然斷開時系統切換為超級電容供電。本方案中使用比較器、非門和或門設計電壓比較電路。為了防止電源切換過程中出現的檢測不準確和電壓回彈的問題，給比較器傳遞函數增加正反饋的方式達到電壓遲滯的目的。

通過兩個比較器分別對外部電源和超級電容的電壓與基準電壓進行比較，產生比較結果，對比較后的結果進行邏輯轉換，最終產生兩個控制信號，控制信號1 用于將系統供電切換為外部電源供電，控制信號2 用于將系統供電切換為超級電容供電。

圖6 電壓比較電路

■2.6 電源切換電路

本方案中系統由兩個電源進行供電：（1）外部電源；（2）超級電容。對于兩個電源的供電管理，本方案中采用PMOS 管、肖特基二極管和NOS 管的方式設計電源切換電路。使用3 個PMOS 管、1 個肖特基二極管和2 個NOMS管組成電源切換電路。外部電源供電支路采用雙PMOS 管背靠背的方式為系統供電，這樣可以降低能量損耗及減小電壓降；超級電容供電支路采用肖特基二極管和PMOS 管組合的方式給系統供電，可有效避免在電源切換過程中出現的電壓倒灌問題，有效保證系統的供電穩定性及連續性。

對于PMOS 管及肖特基二極管的選型需要根據系統的功耗以及供電電壓進行參數選擇。PMOS 主要關注RDS、VGS、VDS、ID、PD、RθJA這幾個參數，肖特基二極管主要關注VRRM、IF、VF、IRRM、RθJA這幾個參數。

圖7 電源切換電路

■2.7 MCU 電路

本方案中MCU 電路主要功能為：（1）獲知超級電容溫度狀態；（2）系統電源供電狀態；（3）上報系統狀態。

獲知超級電容溫度狀態功能是通過接收測溫比較器輸出的信號獲知超級電容的溫度狀態。

系統電源供電狀態功能是通過接收電壓比較電路輸出的信號獲知系統供電狀態。

上報系統狀態功能是接收超級電容溫度狀態和系統供電狀態，并將這些狀態上報給上位機，最終有上位機來顯示和作出判斷。當系統供電切換到超級電容供電時主機進行關機流程，最終實現安全關機。圖8 為開關機指令流程圖。

圖8 開關機指令流程圖

3 測試結果

對本方案使用12V 外部電源和4 節10F/2.7V 超級電容串聯進行測試。主要關注：（1）超級電容是否可以正常充放電；（2）超級電容溫度狀態是否可以正常上報；（3）風扇及電阻絲是否可以正常工作；（4）兩個電源切換過程中供電電壓是否發生震蕩；（5）系統是否可以正常關機。

經過測試系統能滿足設計要求，使用示波器測量系統供電波形如圖9 所示。

圖9 系統供電波形

4 結論

本文提出了一種超級電容充放電管理方案，該方案實現了超級電容選型、超級電容充放電管理、超級電容溫度監測與管理及控制、系統供電的切換以及系統在斷電過程中的安全關機等功能。本方案可在實際產品中進行相關應用，能夠使相關需要異常關機保護功能的系統得到一個完善、魯棒的解決方案。