倪 雨，李萬翔

（1.成都信息工程大學控制工程學院，四川成都610225；2.國網(wǎng)新疆電力公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰836500）

超級電容器可調(diào)恒電流充電實驗

倪 雨1，李萬翔2

（1.成都信息工程大學控制工程學院，四川成都610225；2.國網(wǎng)新疆電力公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰836500）

針對超級電容器欠缺大電流恒電流充電電源的問題，分析恒電流電源關(guān)鍵技術(shù)，并以超級電容器主要特征為基礎，經(jīng)過效率測算確定了恒電流充電電路的輸入電壓，獲得較高轉(zhuǎn)換效率。該恒電流電源控制器基于單片機設計，可手動設置輸出電流數(shù)值，并設置輸出電壓檢測端，以防止電容過充電。實驗樣機實現(xiàn)了對大容量超級電容器的大電流快速充電，實驗結(jié)果驗證了可調(diào)恒電流充電控制電路的可行性和可靠性，具有推廣價值。

超級電容器；恒電流充電；轉(zhuǎn)換效率；過充；單片機

0 前言

超級電容器具有內(nèi)阻小、充放電效率高（90％～ 95％）、循環(huán)壽命長（幾萬至十萬次）、無污染等獨特優(yōu)點，同時彌補了常規(guī)儲能器件的主要缺陷[1]，在諸多領域得到了廣泛應用。如在車輛起動、加速、制動能量回收等短時間大功率工作條件下，超級電容器實現(xiàn)了能量的快速釋放和存儲[2-3]。

我國超級電容的生產(chǎn)和應用仍處于初級階段，仍需深入研究改善超級電容器性能的方法和超級電容器充放電控制技術(shù)，使其在更多領域發(fā)揮優(yōu)勢[4]。目前的超級電容器恒電流充電市場上，國內(nèi)產(chǎn)品多為電流小于1 A的恒電流源，缺少對超級電容器的大電流充放電電路的研究；國外雖有大電流恒電流源，但價格昂貴。研發(fā)大電流充放電的恒電流源具有較高經(jīng)濟實用價值[5-6]。本研究針對一組超級電容器設計制作一臺充電電流大于1 A的可調(diào)恒電流充電電流源，并進行穩(wěn)定運行實驗，以及兩種情況下的啟動和停止實驗。

1 電源電壓

充電電源電壓的選擇是為了提高超級電容器的充電效率、縮短充電時間，從而達到快速充電目的，充分發(fā)揮超級電容器的優(yōu)勢[7－8]。設計選取常用直流電源，超級電容器選取5 V、10 F的電容，使用美國泰克公司的TDS3024B示波器進行測試，通過檢測超級電容器的電流和電壓，獲得超級電容器充電的效率值，即UoIo/UinIin。超級電容器充電進行效率測試對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 效率曲線

由圖1可知，Uin為輸入直流電電壓，當輸入直流電壓為4.75 V，輸出電流為0.25 A時，充電效率最高可達到95％；但當充電電流超過1 A時，輸入電壓為12 V時的效率最高，可達到90％。故設計采用12 V直流電源。

2 恒電流充電主電路

超級電容器恒電流充電主電路如圖2所示。

圖2 恒電流充電主電路

由圖2可知，采用L-C低通濾波電路與MP1482芯片相結(jié)合構(gòu)成Buck變換器，作為恒電流充電主電路。輸入12 V直流電壓經(jīng)芯片MP1482轉(zhuǎn)化為方波，由方波通過電感轉(zhuǎn)換為一個三角波，再通過采樣電阻R5采樣，比較采樣電壓和COMP管腳電壓以控制電感電流的峰值，達到每個開關(guān)周期都進行過電流保護。FB為反饋輸入端，接輸出電壓分壓，為了能達到輸出電流恒定[9-12]，設計將管腳接電流采樣信號，分析如下。

電路工作時，負反饋電路自動調(diào)節(jié)LM358的輸出端1腳電壓Uo達到MP1482S的內(nèi)部參考電壓0.923 V，推導如下。

采樣電阻R5上的電壓

虛斷LM358的同相輸入端，結(jié)合R2=R3可得

根據(jù)運放的虛短原理

根據(jù)虛斷原理

將條件R6=R7代入式（4）得

將式（1）和式（2）代入式（5）得

穩(wěn)定運行時，將Uo=0.923 V代入式（6）得到

為了實現(xiàn)恒電流充電電路的充電電流可調(diào)，整理式（7）可得DA電壓值和充電電流給定值的對應關(guān)系

式中R5為輸出電流采樣電阻；UFB為MP1482S內(nèi)部參考電壓，典型值為0.923 V；UDA為DA的輸出電壓值，調(diào)節(jié)DA的值設定輸出電流大小；R1、R4為電壓采樣電阻。

3 控制系統(tǒng)軟件流程

針對如圖1所示主電路，根據(jù)大電流恒電流充電控制策略，控制程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

充電控制電路的控制核心采用89S51單片機。主要工作過程為：將輸入的模擬電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再與基準值進行對比，根據(jù)差值控制PWM波的占空比的輸出，從而實現(xiàn)控制BUCK電路對超級電容器的恒電流充電。為方便觀察超級電容器充電過程，采用液晶顯示器顯示超級電容器的電壓和電流。

通過按鍵設定充電電流給定值，達到充電電流可調(diào)的目的。當超級電容器電壓達到4 V時，智能調(diào)節(jié)充電電流為1.06 A，有效防止了芯片MP1482S過功率保護問題；通過電壓采樣電路，得到超級電容器的電壓，防止超級電容器過充[11]。

4 測試實驗

硬件測試包括：充電電路的正常工作狀態(tài)，直流電源開機和關(guān)機、通電后Uen的開關(guān)機狀態(tài)進行測試，確保開啟充電過程的可靠性和穩(wěn)定性。使用美國泰克公司的TDS3024B示波器對電路的主要端口進行測試，波形分別為：Uo為輸出電壓波形，SW為開關(guān)管電壓波形，IL為電感電流波形，Uin為輸入電壓波形，EN為使能端電壓波形。

4.1 電路正常工作狀態(tài)

超級電容器充電測試電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電流Io分別為0 A和2 A時，輸出紋波和開關(guān)波形如圖4所示。由圖4可知，充電電路穩(wěn)定工作于空載或滿載時，開關(guān)頻率為330 kHz，輸出電壓紋波為20 mV，為超級電容器額定電壓5 V的0.4％，滿足超級電容器充電要求。

4.2 電路啟停過程

通過測試電路的開關(guān)機暫態(tài)，可以有效測試出電路運行的可靠性，保證了電路在各個突發(fā)狀態(tài)下穩(wěn)定運行，對超級電容器起到必要的保護作用，防止電容充放電時電流、電壓突變所引起燒毀甚至爆炸[5，15]。

4.2.1 上電和斷電過程

當電路上電或斷電時，電流電壓發(fā)生劇烈變化而形成瞬時干擾，嚴重干擾則會危及超級電容器。分別對Uin測試在輸出電流為0 A和2 A時的開關(guān)機狀態(tài)，實驗波形如圖5所示。

由圖5可知，在芯片上（下）電時，充電電路正常工作，帶負載啟動和空載啟動波形平滑，無過沖，無震蕩，工作穩(wěn)定可靠，保護了強電設備中電感、電容等儲能元件。

圖4 穩(wěn)態(tài)工作時波形

圖5 Uin開關(guān)機暫態(tài)波形

4.2.2 軟件開關(guān)機暫態(tài)過程

當軟啟動（關(guān)軟機）時，電流電壓也可能發(fā)生劇烈變化而形成瞬時干擾，影響甚至危及超級電容器。分別對UEN測試在輸出電流為0 A和2 A時的開關(guān)機狀態(tài)，實驗波形如圖6所示。

由圖6可知，通過使能端開關(guān)機時，恒電流充電電路無異常。芯片通過使能端開關(guān)機，帶負載和空載關(guān)機波形無異常，工作穩(wěn)定可靠，確保了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，有效防止數(shù)字信號對模擬信號形成干擾。

恒電流充放電實物如圖7所示，主要由PCB板，89S51單片機，MP1482芯片，3個5V、10F超級電容器，Nokia5110液晶顯示器，BUCK電路，燈珠，放電電阻組成，通過測試驗證了恒電流系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

介紹超級電容器的優(yōu)勢、發(fā)展前景及應用超級電容器需要的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了可調(diào)的大電流恒電流源充電系統(tǒng)，制作實驗樣機，并通過測試。在此系統(tǒng)中，選用恒電流可調(diào)充電方式對超級電容器進行充電，同時解決了恒電壓充電初始充電電流很大的問題，且使得超級電容器能夠快速、可靠地進行電流充電，并得到很好保護和利用，充分發(fā)揮了超級電容器的優(yōu)勢。恒電流充電電源的充電電流可調(diào)，適用于不同型號超級電容器，具有廣泛實用價值。

圖6 UEN開關(guān)機暫態(tài)波形

圖7 超級電容器恒電流充放電控制系統(tǒng)實物

[1]農(nóng)谷珍.超級電容器電極材料的制備及電化學性能研究[D].遼寧：大連理工大學，2009.

[2]儲軍.電動車用超級電容參數(shù)特性的實驗研究[D].上海：上海交通大學，2004.

[3]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（03）：20-23.

[4]于凌宇，馮玉萍.世界超級電容器發(fā)展動態(tài)[J].電容，2008（12）：53-55.

[5]劉為民.超級電容器恒流測試電源[D].遼寧：大連理工大學，2006.

[6]李薦，鐘暉，鐘海云，等.超級電容器應用設計[J].電源技術(shù)，2004，28（6）：388-391.

[7]馬奎安，陳敏.超級電容器儲能系統(tǒng)充電模式控制設計[J].機電工程，2010（07）：1-4.

[8]鄧歡歡.超級電容器電源模塊電壓均衡技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設計的研究[D].湖北：華中科技大學，2008：3-14.

[9]閆智剛.國內(nèi)外超級電容器發(fā)展動態(tài)[J].電動車，2008（03）：32-35.

[10]李忠學，彭啟立，陳杰.超級電容器端電壓動態(tài)特征的研究[J].電池，2005，35（02）：85-86.

[11]張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中國科學院研究生院（電工研究所），2006.

[12]王磊.電動汽車超級電容器組均衡系統(tǒng)的研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2007：10-35.

[13]Niu J J，PellWG，ConwayBE.Requirements for performance characterizationofCdouble-layersupercapacitors：applications to a high specific-area C-cloth material[J].Journal of Power Sources，2006（156）：725-740.

[14]Conway B E，Pell W G.Power limitations of supercapacitor operation associated with resistance and capacitance distribution inporouselectrodedevices[J].JournalofPowerSources，2002，105（2）：169-81.

[15]王偉，羅光毅，錢照明.一種改進的VRLA電池組無損均衡充電電路[J].電力電子技術(shù)，2003，37（6）：24-26.

Experimental study of adjustable constant-current charging for super capacitor

NI Yu1，LI Wanxiang2
（1.College of Automatic Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Aletai Power Supply Company，State Grid Xinjiang Power Company，Aletai 836500，China）

According to the problems of lack large-current constant current charging power supply for the super capacitor，the key of constant current power supply was analyzed，then based on the super capacitor characteristics，and through efficiency measurement to determine the input voltage for the constant current charging circuit，finally high conversion efficiency was obtained.The controller design was based on single chip machine，the output current value could be manually set，and the output voltage detection was used to prevent the capacitance overcharging.Experimental prototype can fast charge super capacitor with large current，the experimental results verifies the feasibility and reliability of the adjustable constant current charge circuit，with wide application.

super capacitor；constant current charging；conversion efficiency；overcharge；single chip

TG434.1

A

1001－2303（2017）01－0051-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.10

獻

倪雨，李萬翔.超級電容器可調(diào)恒電流充電實驗[J].電焊機，2017，47（1）：51-55.

2014-11-20；

2016-11-10

四川省教育廳重點項目（自然科學類）（15ZA0187）

倪雨（1978—），男，四川成都人，副教授，博士，主要從事微型電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)、開關(guān)變換器拓撲及控制技術(shù)的研究工作。