基于PWM超級(jí)電容充電裝置的設(shè)計(jì)裝置

摘要：為了解決目前國內(nèi)外普遍使用儲(chǔ)能元件存在大量環(huán)境污染和壽命短的問題，文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于基于PWM的超級(jí)電容充電裝置。該充電裝置包括：通訊裝置、轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩(wěn)壓器、LED、超級(jí)電容、為超級(jí)電容提供的如交流電、電池組、太陽能等能量源，其中轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、控制裝置、通訊裝置實(shí)現(xiàn)為超級(jí)電容充電信號(hào)接收、控制和轉(zhuǎn)換功能。其中采樣裝置由采樣模塊組成，采樣模塊實(shí)時(shí)地對(duì)超級(jí)電容的電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。脈沖調(diào)制裝置接受邏輯控制裝置傳送過來的調(diào)制信號(hào)，對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，最后借助轉(zhuǎn)化裝置實(shí)現(xiàn)為超級(jí)電容器充電的功能。本文采用的充電模式，實(shí)現(xiàn)了充電的低成本，高效率的特點(diǎn)，能夠最大化發(fā)揮其充電的性能。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容;PWM;充電裝置;脈沖調(diào)制

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，節(jié)能型電器產(chǎn)品日益受到歡迎，可是這些產(chǎn)品的使用都離不開儲(chǔ)能元件。目前，國內(nèi)外普遍使用的儲(chǔ)能元件主要是蓄電池，如鉛酸蓄電池及鎳鎘電池等，存在著環(huán)境污染和壽命短等問題，而超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能元件給解決上述問題帶來了希望?，F(xiàn)有儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：1)充電速度慢，功能密度低。2)循環(huán)使用壽命短，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)少。3)放電電流小，放電能力較差。4)儲(chǔ)存、拆解過程可能造成污染，破壞環(huán)境。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了對(duì)儲(chǔ)能元件造成的環(huán)境污染等一系列問題進(jìn)行預(yù)防，設(shè)計(jì)了一款基于PWM的超級(jí)電容充電裝置，該裝置由通訊裝置、轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩(wěn)壓器、LED、超級(jí)電容、為超級(jí)電容提供的如交流電、電池組、太陽能等能量源等組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：充電速度快，經(jīng)過測(cè)試充電10 s～10min可達(dá)到其額定容量的95%以上。循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，沒有“記憶效應(yīng)”。能量轉(zhuǎn)換效率高，電流放電能力較強(qiáng)。功能密度高，并且在生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程中沒有污染，是一個(gè)非常環(huán)保的技術(shù)。并且我們檢測(cè)也比較方便，電量可以直接讀出來。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 軟硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 通訊裝置設(shè)計(jì)

通訊裝置采用通訊模塊，通訊模塊是信號(hào)通訊的基本單元，信號(hào)的的穩(wěn)定傳輸是整個(gè)系統(tǒng)可靠性的基本保證。通信模塊通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，從傳輸功能上看，通信模塊要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)采集到的信息據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理，同時(shí)傳輸?shù)接脩羰殖诌b控器。目前收發(fā)模塊的軟硬件技術(shù)是通信研究的重點(diǎn)。本系統(tǒng)通信模塊由微處理器、存儲(chǔ)器、晶振等構(gòu)成，它包含了特定應(yīng)用的邏輯。

通訊模塊廣泛地運(yùn)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。

在通訊裝置中，發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4 GHz，并經(jīng)放大后發(fā)射出去。

該通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信功能，超級(jí)電容在運(yùn)行過程中向采樣電路傳輸數(shù)據(jù)，我們通過采樣電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集采樣，采樣裝置將其采樣到的超級(jí)電容的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，之后通訊裝置再將數(shù)據(jù)傳送給邏輯控制裝置，通訊裝置也可以直接進(jìn)行與超級(jí)電容的通訊。

2.2 脈沖調(diào)制裝置設(shè)計(jì)

脈沖調(diào)制裝置采用脈沖調(diào)制模塊，脈沖調(diào)制模塊是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)而做成的一種模塊，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

本系統(tǒng)中脈沖調(diào)制模塊接受邏輯控制裝置傳送過來的調(diào)制信號(hào)，脈沖調(diào)制裝置主要是用于對(duì)傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制比如脈沖信號(hào)，在圖中對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，我們可以通過軟件編程調(diào)節(jié)充電脈沖的寬度，從而調(diào)節(jié)波形的占空比、周期和相位，最后借助控制單元的轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)為超級(jí)電容器充電的功能。

2.3 邏輯控制裝置塊設(shè)計(jì)

邏輯控制裝置采用邏輯控制模塊，邏輯控制模塊是基于數(shù)字電路中常見的邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或等邏輯運(yùn)算所開發(fā)的一種實(shí)用性較高、被廣為使用的模塊。邏輯控制模塊廣泛應(yīng)用各種數(shù)字電路、自動(dòng)化、plc控制等領(lǐng)域，與各種控制器、單片機(jī)等組合能夠充分發(fā)揮它的邏輯控制作用，國外的大型廠家都開發(fā)過專屬自己產(chǎn)品的邏輯控制模塊。

本系統(tǒng)中采用了邏輯控制模塊，它分別與通信模塊和脈沖調(diào)制模塊相連接，在中間起著數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)化的作用。在系統(tǒng)中，我們?cè)谶壿嬁刂颇K中預(yù)先寫入了相應(yīng)的邏輯運(yùn)算函數(shù)，比如超級(jí)電容的荷電狀態(tài)與電壓構(gòu)成的函數(shù)。在超級(jí)電容充放電過程中，通信模塊將電壓、溫度等一系列數(shù)據(jù)傳送給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊按照一定的邏輯算法經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運(yùn)算之后，將邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出給脈沖調(diào)制模塊，為脈沖調(diào)制做出準(zhǔn)備。

2.4 采樣裝置設(shè)計(jì)

采樣裝置采用采樣模塊，采樣模塊是基于物理量的采樣、數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)的一種模塊。在模擬量控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程所處理的都是連續(xù)變化的物理量。這些物理量都是經(jīng)過傳感器和變送器的變換而變成的標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)變化的物理量如電壓、電流等。這些物理量如果要送入計(jì)算機(jī)、plc等數(shù)字量設(shè)備里必須要先進(jìn)行采樣，采樣之后的物理量變?yōu)殡x散量，從而可以被其他設(shè)備等示別。

本系統(tǒng)采用了采樣模塊，在超級(jí)電容充放電的過程中，我們通過采樣模塊實(shí)時(shí)地對(duì)超級(jí)電容的電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。采樣模塊采用輪詢的機(jī)制定時(shí)地檢測(cè)超級(jí)電容器電壓、溫度，并將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。

2.5 轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換裝置由轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，轉(zhuǎn)換器是在數(shù)字電路、模擬電路中經(jīng)常使用的裝置，主要用于數(shù)據(jù)、信息的轉(zhuǎn)換。常見的轉(zhuǎn)換器有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱A/D轉(zhuǎn)換器，主要用于把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量處理。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器又稱D/A轉(zhuǎn)換器，主要用于把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量處理。本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器主要是用于接收脈沖調(diào)制模塊所傳遞過來的信號(hào)，并且進(jìn)行處理。脈沖模塊先接收控制單元傳遞過來的調(diào)制信號(hào)，該模塊先進(jìn)行調(diào)制，調(diào)整合適的脈沖的脈寬，并將該脈沖信號(hào)傳送給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為超級(jí)電容所能處理的物理量，并為超級(jí)電容充電。

2.6 能量源設(shè)計(jì)

能量源可以由交流電、太陽能、風(fēng)能、生物能、電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成作為電源，通過能量源輸出端口為整個(gè)充電電路提供能量。一方面，能量源可以通過轉(zhuǎn)換裝置將交流電、太陽能、風(fēng)能等能源轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)入電路，再經(jīng)過電路的調(diào)節(jié)作用為超級(jí)電容供電。另一方面，由交流電、太陽能、風(fēng)能、生物能等可以提供作為電源的能量源可以直接借助穩(wěn)壓器直接為邏輯控制裝置供電。

3 系統(tǒng)功能實(shí)施

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

在本實(shí)施例中，我們通過研究超級(jí)電容器的電壓、電流等參數(shù)以及超級(jí)電容充電的剩余容量，提出一種不同充電方式的充電裝置。在本系統(tǒng)中，超級(jí)電容器可以是一個(gè)超級(jí)電容組成或者由多個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)形成。與超級(jí)電容連接的采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級(jí)電容器，檢測(cè)超級(jí)電容的電壓、電流、溫度等一系列參數(shù)，并把采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號(hào)反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號(hào)后，通過自身設(shè)置好的運(yùn)算方法，來求出超級(jí)電容的剩余容量。我們預(yù)先設(shè)定了超級(jí)電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1和超級(jí)電容在滿電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量2。

3.2 系統(tǒng)充電方式

第一步：先將能量源和超級(jí)電容連接，由能量源為超級(jí)電容提供電源。

第二步：采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級(jí)電容器，檢測(cè)超級(jí)電容的電壓、電流、溫度等一系列參數(shù)，并把采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號(hào)反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號(hào)后，通過自身設(shè)置好的運(yùn)算方法，來求出超級(jí)電容的剩余容量。

第三步：將求出的超級(jí)電容的剩余容量與上面提到的超級(jí)電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1和超級(jí)電容在滿電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量2做出比較，其中剩余容量2>剩余容量1。

第四步：邏輯控制裝置根據(jù)比較結(jié)果計(jì)算出超級(jí)電容所需要的充電電壓和電流等數(shù)據(jù)，并且發(fā)出調(diào)制信號(hào)給脈沖調(diào)制裝置。

第五步：脈沖調(diào)制裝置接受到調(diào)制信號(hào)以后，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容充電。

第六步：不斷重復(fù)上述步驟，直到超級(jí)電容完成充電或者終止充電。

在充電過程中，如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級(jí)電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號(hào)C給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號(hào)，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量小于剩余容量1并且大于剩余容量2，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號(hào)A給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號(hào)，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級(jí)電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號(hào)B給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號(hào)，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容充電。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于PWM超級(jí)電容充電裝置的設(shè)計(jì)裝置具有如下特點(diǎn)：1)充電速度快，充電10 s到10 min可達(dá)到其額定容量的95%以上;2)循環(huán)使用壽命長(zhǎng);3)電流放電能力強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小;4)功率密度高，無污染，綠色環(huán)保。該裝置工作穩(wěn)定可靠，成本低廉，適合大范圍推廣使用。