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1、摘 要：研究了超级电容快速充电方法，分析了恒功率快速充电的原理，并通过比较恒电流和恒功率两种方法，证明了恒功率充电更有 利于实现快速充电。根据恒功率充电原理，制作了快速充电样机。实 验表明该样机电路稳定，能够实现快速充电要求，具有良好的实用前传统蓄电池电源系统的电池记忆效应差、容量下降及充电时间过 长是长久以来一直存在的问题，而这些问题可使用超级电容来解决。 超级电容是一种极大程度上模拟了电容的电压特性曲线且具有非常 高的容值的新型能源器件，目前已有万法拉级的超级电容单体。超级 电容无充放电记忆效应，允许上百万次充放电而不会有任何容量上的 损失。此外，超级电容具有极低的等效串联电阻（ESR），
2、这一特性 使得超级电容可以大电流充放电，其额度远超过当前最好的电池。低 ESR和几乎没有电流限制的特性使得超级电容对充电系统表现出“假 短路”，这给系统集成带来了挑战。为了解决这个问题，需要针对超 级电容的特性寻找新的充电方式。与电池不同，超级电容可以同样的 额度充电和放电，对能量回收系统（如传动系统的动态刹车）非常有 用。1 系统设计理论分析由于 RC 时间常数太大，线性稳压器对超级电容充电效率极低。由于超级电容具有较低的等效串联电感,使得开关模式充电电路的运 行稳定。由于超级电容可以承受大电流的特性，恒流充电或者恒功率 充电是较好的充电方式。1.1 超级电容充电模型参考文献1比较了不同应用
3、场合下的不同的超级电容模型。由 于本系统是设计超级电容充电机，因此需要采用超级电容的充电模 型。它由阻性部分等效电阻ESR和容性部分电容C串联而成，表征了 超级电容的充放电特性。超级电容的电压时间特性曲线由容性和阻性两部分组成。容性部 分代表了超级电容能量改变导致的电压改变；阻性部分代表了超级电 容 ESR 导致的电压改变。容性部分由下列方程式决定：h1电阻部分由下列方程式决定：V=IR所以充电或者放电时的总电压改变量为：超级电容最重要的参数是ESR和电容值的大小(可以从产品手册上获知)。式(1)为超级电容充电的理论模型。1.2 恒流充电与恒功率充电超级电容特性决定了恒流充电和恒功率充电是两种
4、较好的充电 方式。采用DC-DC变换器可以实现这两种充电方式。使用BUCK或者 BOOST电路来对超级电容充电，在连续输出电流时，UCK电路是首选。 但是对于充电时间敏感的充电机来说，恒流充电并不是最优选择，恒 功率充电在充电时间上更有优势。比如，对一个100 F、50 V的超级 电容模组使用50 V、20 A的电源进行充电，在恒流充电模式下，最 大充电电流为20 A；而在恒功率充电模式下，充电功率可达1 000 W, 其中最大充电电流限制为50 A。如图1所示，恒流充电至50 V时所 需时间为250 s，而恒功率充电至50 V所需时间约为145 s。这表明 恒功率在充电时间上比恒流充电更具优
5、势。闺1悝功率（虚线）与恒流（实线）1.3 恒功率充电实现原理恒功率的基本原理是保持电压和电流的乘积不变。本设计采用双 管正激变换器拓扑，使用峰值电流控制的方法进行恒功率设计。双管 正激电路是隔离型降压电路，设输入电压为Vin,输出电压为Vout, 变压器变比为l:n,占空比为D,则输出电压和输入电压的关系如下:Vou t二 VinXDXn电路设计好后，Vin和变比n不变，可通过调节占空比来调节输 出电压。如图2 所示曲线1 对应的充电电流大于曲线2对应的充电电 流。R、S对应的波形是RS触发器复位和置位端波形。根据峰值电流 控制原理，每个开关周期之初，时钟脉冲置位RS触发器，使开关管 导通，
6、电感电流逐渐增加，当检测到电流信号is大于指令电流ic时， 电流比较器翻转并复位RS触发器，这时开关管被关掉，变压器停止传输功率，扼流圈电流由续流二极管续流。通过峰值电流控制，当电 流增大时， PWM 占空比减小，根据输出电压的计算式可知输出电压也 减小，从而使得输出电压和输出电流乘积（即输出功率）保持不变，这 就是恒功率充电的基本原理。图2畔值电漩控制雁理曲线I曲线22 硬件系统设计本设计拟对Maxwell公司的产品BM0D0165（额定电压为48 V,额 定容值为165 F）超级电容模组进行充电，系统结构如图3所示。硬 件系统由单相整流电路、双管正激变换器、电流电压检测反馈电路及 保护电路
7、等部分组成。系统首先将单相220 V 交流电经过整流滤波后 得到直流电压，然后通过双管正激变换器实现降压，并在电气上实现 输入输出的隔离。引入电流反馈环节，通过峰值电流控制实现恒功率 充电。2.1 双管正激电路双管正激电路是一种可靠的DC-DC电路，广泛使用于低压大电流 场合中，双管正激拓扑如图4所示。如果电路工作在CCM方式，假定 MOS开关管QI、Q2漏源电容电压为零，则漏源电压就能瞬时变化。 如图5所示，Vgsl、Vgs2是MOS管栅源驱动信号，两者时序相同， 即 Q1、 Q2 同时开通、同时关断。da2图/q 2n Li观管正徽变换器主要时序畋朋潍库t0tl： to时刻，QI、Q2同时
8、开通，变压器T1原边电压为直流 母线电压Vdcin,设变比为1： n,则副边电压为VdcinXn,电压极 性不变。输出电流线性增大，经过副边整流管D3、扼流圈后进入超 级电容。扼流圈存储能量，此时，开关管电流isl、is2由副边反射 电流和励磁电流组成，且线性增大。t1t2： QI、Q2同时关断，变压器T1原边电流经过原边续流二 极管DI、D2进入母线，变压器磁芯复位，此时变压器主侧电压为 -Vdcin，则副边电压为-VdcinXn,电压极性不变。QI、Q2开关管漏 源两端电压Vdsl、Vds2为Vdcin。此时，副边整流管D3截止，扼流 圈电流通过续流管D4续流，输出电流线性减小，进入超级电
9、容。扼 流圈释放能量，此时，开关管电流isl、is2减小到0。t2t3： t2 时刻，原边续流管关断，续流结束，变压器磁芯复位， 变压器T1原边电压为零。此时，Ql、Q2漏源两端电压Vdsl、Vds2 为Vdcin/2。副边续流仍继续，t3时刻续流副边续流结束，下一个驱 动高电平到来，开关管Ql、Q2开通。进入下一个开关周期。2.2 电流电压双闭环控制回路本设计中采用双闭环的结构实现充电电流和充电电压的控制，使 用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能电流型PWM 控制器，其内部结构如图6所示；内部有一个误差放大器和电流放大 器可以方便地组建电流电压双闭环，在实际使用中，
10、为了具有更快的 响应速度，可略去误差放大器，使用电压调整器TL431和光耦PC817 构成电压反馈。电流环通过使用LEM公司的电流传感器LAH 25-NP来 组建。IE 电源 q7(12)输出比较注：捕弓数字是SO- 14封装的管.脚妗国6 UC3S44内削結构图输出电源电压反馈肚宽调制I电流取样双闭环电路原理图如图7所示，Vs是来自LEM霍尔电流传感器LAH 25-NP 输出的电压测量信号，通过一阶滤波环节后进入电流反馈 端，即图中电流比较器的负端。V0 48 V来自功率部分的输出，由于 TL431最大只能稳压到36 V，故需要对经典TL431稳压电路进行部分 修改，以满足48 V稳压要求。
11、在TL431的3脚（即K极）引入24 V稳 压管D4_Z1, TL431的端电压约为24 V，从而可在安全工作区内正常 稳压工作。PC817实现电气上的隔离，并通过输出电压Vce稳压。当 超级电容电压接近48 V时，PC817输出电流Ic增大，贝UVce减小， 同时进入UC3844补偿端1脚的信号减小，相应输出PWM占空比也减 小；当超级电容电压超过48 V时，UC3844补偿端1脚拉低，PWM关 断，起到过压保护的作用。48U2I4U4ClR32GNDR2 36 V.IX斗C3_图？最阳环电路原理图PGND2 IM.Z1PC817GND.|iCMPEN IC2 丰GNDU3 TI4313 整机调试FeeISENOUTCMPENGNDRT/CTUC3844实验设计了最大功率为1 kW 的超级电容充电样机，实验测试表明，对BM0D0165（额定48 V、165 F）超级电容模组充电时间约为5 min。 图8为电路中的关键工作波形，其电压为30 V、充电电流约为10 A 的充电波形。从上至下依次是Vds、Vpri、PWM信号和开关管峰值电 流波形。由于缓冲电路的作用，使得波形干净无杂波，基本没有电压 尖峰。 Vpri 负电压有一定变形，但是不影响电路性能。本文研究了超级电容的充放电特性，分析了快速充电的方法，设计并实现了快速充电样机 试验表明充电时间短，达到了应用要求。
恒功率超级电容器快速充电机设计
