李 楠，　任永杰，　楊學(xué)友(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

基于超級(jí)電容的一種新型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 楠，任永杰，楊學(xué)友
(天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

設(shè)計(jì)了一個(gè)利用法拉級(jí)超級(jí)電容器作為儲(chǔ)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(gòu)成，充電裝置可以在數(shù)分鐘內(nèi)將超級(jí)電容器充滿電，直流穩(wěn)壓器為用電設(shè)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(jié)合的充電方式，縮短了充電時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間。

超級(jí)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(xué)原理上不可避免的“記憶效應(yīng)”，正逐漸被淘汰。鋰離子電池雖然解決了“記憶效應(yīng)”，但由于其充電過程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，所以充電電流不可過大，因此導(dǎo)致充滿電需要的時(shí)間較長。超級(jí)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(chǔ)能元件，由于其電容量遠(yuǎn)大于普通電容器，可以達(dá)到上百甚至上千法拉，因此又被稱為法拉電容[1]。超級(jí)電容是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅僅是一個(gè)物理過程，這種儲(chǔ)能過程是可逆的。它作為一種新型的儲(chǔ)能元件，具有很多突出的優(yōu)勢：可以大電流快速充電，內(nèi)阻極低，能量密度高，循環(huán)壽命長，環(huán)保等。本實(shí)驗(yàn)采用了4個(gè)相同型號(hào)的超級(jí)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(shè)計(jì)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(jìn)行了相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)測試。

1 原理

用平行極板電容的模型來描述超級(jí)電容，如下：

式(1)表明，超級(jí)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(dāng)一個(gè)超級(jí)電容被制造出來以后，它的容量就是固定的。關(guān)于電容，還有兩個(gè)方程：dQ=idt和C=Q/UC，于是得到：

式中：UC為電容器正負(fù)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(shí)際中，超級(jí)電容是有內(nèi)阻的[2]，用Req來表示其等效內(nèi)阻，則有：

式(2)、式(3)結(jié)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(gè)一階延遲，因此圖1中的曲線將會(huì)變成如圖2所示的曲線。由圖2(b)可以看到，在充放電轉(zhuǎn)換瞬間，有一個(gè)電壓的突變，這是由超級(jí)電容的電阻導(dǎo)致的，Du=iReq。

圖2　　實(shí)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(jí)電容內(nèi)阻極小，由內(nèi)阻導(dǎo)致的充電截止電壓的差別也比較??；其次，超級(jí)電容沒有記憶效應(yīng)，充電的不均衡不會(huì)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(gè)三端穩(wěn)壓芯片，它的輸出端和調(diào)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(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，充電電流是一個(gè)恒定值6.2 A，超級(jí)電容兩端電壓線性增加。圖5中的4條曲線分別表示4個(gè)不同內(nèi)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(jié)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(jié)果如圖7所示。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，先用恒流充電法給電容器充電，當(dāng)電壓達(dá)到11.5 V時(shí)，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?？梢钥吹?，當(dāng)電壓接近11.8 V時(shí)，充電電流急劇下降，當(dāng)電壓達(dá)到12 V時(shí)，充電電流減小為0 A，充電過程結(jié)束。

圖6　　恒壓充電仿真電路

圖7　　恒壓充電仿真結(jié)果

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1充電系統(tǒng)

圖8展示了充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(gè)充電系統(tǒng)智能管理的核心；超級(jí)電容的電壓以及電流的采樣電壓經(jīng)過AD后送入單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理；MOS管用來實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電電路的切換；顯示屏上實(shí)時(shí)顯示充電參數(shù)；蜂鳴器用來報(bào)警和提示充電完成。

3.2穩(wěn)壓系統(tǒng)

圖8　　充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。該系統(tǒng)通過多級(jí)DC-DC直流轉(zhuǎn)換芯片，把超級(jí)電容器提供的不穩(wěn)定電壓最終轉(zhuǎn)換為+12、+5、－5 V、可調(diào)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(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10展示了實(shí)驗(yàn)中的充電電壓及電流曲線，基本符合仿真結(jié)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(jí)電容的電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)的突變，這是由其內(nèi)阻導(dǎo)致的，同時(shí)，充電電流也突然下降到1 A左右，進(jìn)入恒壓充電階段，直至電壓達(dá)到12 V，充電結(jié)束，整個(gè)充電過程耗時(shí)僅為270 s左右。

圖10　　實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了多組測試，最終得出其紋波率的平均值，見表1。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jié)論

本文展示了一種利用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件的新型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，對充電電路進(jìn)行了仿真，對充電系統(tǒng)和穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本研究設(shè)計(jì)的恒流恒壓相結(jié)合的充電方式能有效縮短充電時(shí)間，多級(jí)穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)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(jí)電容國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(8):1-4.

[2]儲(chǔ)軍,陳杰,李忠學(xué).電動(dòng)車用超級(jí)電容器充放電性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械,2004,31(3):20-22.

[3]張莉,張寧,李琛,等.串聯(lián)超級(jí)電容器組電壓均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),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(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(2012AA041-205)

李楠(1990—)，男，山西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌?jí)電容器特性。