沈承舒，宋紅軍

(貴陽學院 電子與通信工程學院，貴州 貴陽 550005)

近年來，對電動汽車以及混合動力汽車的需求越來越高，之前大部分電動汽車使用的是蓄電池，而蓄電池的各種特性特征滿足不了所要求的汽車在啟動以及加速和爬坡過程中的更高要求。于是開始向超級電容器應用于汽車入手。超級電容器具有儲存能量大、充電時間快捷迅速的特點，單體電容器的充電時間一般為秒級，并且存在使用過程對環(huán)境無污染、能夠在相對較高的溫度環(huán)境中使用、循環(huán)使用壽命長、高功率放電等諸多特點，可以滿足電動汽車在啟動加速以及爬坡過程中的高功率放電要求。但是這些都得考慮到電動汽車在使用時候的單車能耗問題，整車成本問題，維護費用

以及充電效率的問題。基于此，本文主要研究超級電容在無線恒功率下的充電效率，通過在恒功率為20W的充電方式下對超級電容進行充電，在充電過程中記錄充電的時間與超級電容兩端電壓等數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)加以分析計算得出此次恒功率充電下的充電效率。

1 超級電容充電方案

1.1 超級電容儲能原理

根據(jù)在能量儲存機理方面，可以將超級電容器分為雙電離電容器和法拉第電容器兩類，然而本次試驗設計主要針對的是對雙電離電容器充電效率的研究。其中雙電離超級電容器的電極材料由活性導電碳，碳納米管或者凝膠形成的石墨碳制作而成，其能量儲存方式是通過物理方式進行儲存，其中電解質(zhì)溶液中的離子在外加電壓所構(gòu)成的電場的作用下，與兩電極在電解質(zhì)界面上發(fā)生正負分離的電荷在庫侖力的作用和分子間力與原子間力的作用下形成了雙電離層，從而實現(xiàn)電荷能量的儲存。雙電離超級電容的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙電離超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖

本實驗選用耐壓值為2.7V，容值為100F的超級電容通過串聯(lián)組成耐壓值為13.5V，容值為20F的超級電容組。

1.2 影響充電的因素

采用對稱電極設計的超級電容，其正負極采用的是同種材質(zhì)構(gòu)成，其中雙電離電容器的電極材質(zhì)大部分是由導電性質(zhì)優(yōu)良且具有較高表面積的活性炭、碳納米管等材質(zhì)構(gòu)成。在電容充電過程中若朝著電容的一個方向長時間的充電，那么它們之間的極性就會變得越來越強，若在此充電過程中突然變換方向進行充電，那么就會使得該電容的使用壽命被降低，在此次實驗過程中為了讓實驗結(jié)果不受到影響故而保持超級電容始終按一個方向進行充電。

每一個超級電容器在電路中工作時都存在著一個推薦的工作電壓值或者最佳工作電壓值，這個工作電壓值或者最佳工作電壓值是根據(jù)電容在最高設定溫度下最長工作時間來確定的。若電路的實時工作電壓超過推薦工作電壓的1.3倍，這樣就會造成超級電容器的損壞。為了讓超級電容器免受長時間處于過壓狀況的影響，在此對超級電容的充電過程中使其工作在推薦的工作電壓下。

每一個超級電容器在工作過程中都存在有一個工作溫度范圍，該工作溫度值范圍為-40℃至+85℃。一般情況下，超級電容所工作環(huán)境的溫度每升高十攝氏度，電容的壽命就會降低百分之三十至百分之五十左右。因為超級電容器工作在高溫環(huán)境下會造成其內(nèi)部阻值的升高，阻值升高過程是永久的不可逆轉(zhuǎn)的。這樣從而會影響到超級電容器的使用壽命。因此在使用過程中盡可能的降低超級電容所處環(huán)境的工作溫度，以此來補償電容的衰減與電容內(nèi)阻的升高。

1.3 恒功率充電分析

本文采用的是恒定功率對超級電容進行充電測試，恒功率充電是指在對超級電容充電的過程中，根據(jù)所需設定的充電功率，保持超級電容在充電過程中的充電功率值的不變進行充電。然而在恒定功率充電方式下，超級電容的充電電壓和充電電流是在隨時變化的，這時就需要對變化的電流和電壓進行調(diào)節(jié)，使得其乘積功率P恒定。對于負載為儲能電容而言，它所吸收的功率等于充入的電流乘以電壓，而電流又等于電壓的變化率乘以電容值。因此在電容充電過程中，電壓是不斷變化的。若對電容采用恒定功率P進行充電，根據(jù)超級電容的電容儲能公式可以得出電容兩端的電壓UC(t)隨著時間變化的表達式如(公式1)所示：

(1)

對于超級電容而言，超級電容的電容容值是固定的，再根據(jù)上述公式得到電壓的表達式如(公式2)所示：

(2)

由上述公式調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比便可以簡單的實現(xiàn)超級電容的恒定功率充電，在此為了完成PWM占空比信號的產(chǎn)生，使用單片機來產(chǎn)生相應的PWM信號，按照已知的參數(shù)產(chǎn)生相應的隨著時間變化的PWM的占空比。

2 實驗數(shù)據(jù)

2.1 充電時間與電容兩端電壓

超級電容的充電時間記為：在實驗過程中超級電容兩端電壓由0V充到13.17V所用的時間，如表1所示為超級電容在20W的恒定功率下的充電時間和電容兩端電壓的數(shù)據(jù)記錄。

表1 恒功率下的充電時間和電容兩端電壓

由表1數(shù)據(jù)可以得出超級電容組在恒定充電功率下隨著充電時間的增加其兩端電壓也跟著增加，當給超級電容組充電的時間在21s之后其兩端電壓為13.17V便且不再增加，此時便已經(jīng)達到該超級電容組的額定電壓范圍。由此也可得出若將額定電壓為13.5V的超級電容組在20W的恒定功率下充滿電，只需要的充電時間在21s左右。

根據(jù)上述表格得出超級電容兩端電壓隨充電時間變化的關(guān)系。如圖2所示。

圖2 電容電壓隨充電時間變化關(guān)系圖

2.2 充電功率的變化

在給超級電容組充電的過程中，伴隨著充電時間的進行，對超級電容的充電PID算法進行調(diào)節(jié)前后超級電容組充電功率的變化如圖3、圖4所示。

圖3 充電功率未調(diào)節(jié)時的變化圖形

在上述情況中，對超級電容的充電功率進一步的調(diào)節(jié)之后的功率變化如圖4所示。

圖4 充電功率調(diào)節(jié)之后的變化圖

在給超級電容組充電的過程中，伴隨著充電時間的進行，對超級電容的充電進行恒定功率調(diào)節(jié)之后超級電容組充電功率穩(wěn)定時的變化如圖5所示。

圖5 充電功率調(diào)節(jié)穩(wěn)定時的變化圖

上述恒定功率變化圖中上部曲線表示充電過程中PWM占空比輸出曲線，而下部曲線則表示的是充電過程中的充電功率變化曲線。由以上曲線可以得出在給超級電容組充電的時候，剛開始時充電功率并沒有在20W下，隨著充電時間的進行其充電功率隨著增加，當達到所需要設定的20W恒定充電功率時就不再隨充電時間的變化而變化，從而穩(wěn)定在20W的恒定功率下給超級電容充電。

2.3 恒功率充電下的充電效率

在恒定功率充電條件下，超級電容充電的電流和電壓是處于時刻變化的，恒功率充電的充電效率如(公式3)所示：

(3)

公式中的P為充電過程中的充電功率，t為超級電容器充滿電過程所用的時間，UC(0)為超級電容在放完電之后時的電壓，UC(t)為超級電容的額定電壓。然后根據(jù)以上公式帶入充電過程中測量的數(shù)據(jù)計算得出在恒功率控制超級電容充電的情況下，本次實驗研究的超級電容的充電效率在70%以上。

3 結(jié)語

筆者主要研究了超級電容在無線恒功率為20W的充電方式下的充電效率，為此實驗研究中控制充電過程中的超級電容工作在額定電壓下、充電過程不變換極性、工作在室溫環(huán)境下等因素的影響，從而得到超級電容在恒定功率為20W下的充電效率，該數(shù)據(jù)為后續(xù)研究打下一定的基礎(chǔ)。