超級電容快速初充電電路研究

　　超級電容具有功率密度高，充放電時間端，循環(huán)壽命長，工作溫度范圍寬等顯著的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在大功率能量流動的場合。超級電容容值通常達(dá)到幾千法拉，但是可耐受的電壓低，在實(shí)際使用時必須大量串聯(lián)使用[1]。同時，超級電容自漏電速率大大超過鋰電池等傳統(tǒng)的化學(xué)儲能元件，無法長期保存能量，這要求超級電容在初次使用，或者長期靜置再次投入電氣設(shè)備使用之前需要進(jìn)行快速的初充電，使超級電容內(nèi)部維持一定的能量[2]。

　　超級電容快速初充電與電池充電技術(shù)有很大的不同，電池制造完成后，內(nèi)部存儲有一定的化學(xué)能，電　池端壓隨著電池內(nèi)部能量的儲存和釋放只在較窄的范圍內(nèi)變化[3]。而超級電容的儲能方式為電場儲能，能量以電荷的形式存儲的電容器內(nèi)部，因此在充電前期存在短路狀態(tài)，且會存在長時間接近短路充電狀態(tài)。針對這種長時間的短路充電狀態(tài)，必須要對充電電流進(jìn)行限制，否則會引起短時間大電流沖擊，對充電電路造成不可恢復(fù)的損壞。同時，超級電容內(nèi)部等效串聯(lián)電阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)造成的發(fā)熱問題限制了超級電容的充放電電流，大電流沖擊也會對超級電容性能造成影響。充電電流的紋波也是造成超級電容發(fā)熱的原因之一，因此，超級電容快速充電技術(shù)要求對充電電流的紋波進(jìn)行限制，減小超級電容的發(fā)熱，同時可以減少損耗，提高效率[4]。超級電容組的容值從幾十法拉到幾百法拉之間，將合適的能量在一定的時間內(nèi)存儲在超級電容組內(nèi)，超級電容快速充電需要保持基本不變的充電電流，使整個充電過程中超級電容電壓上升速度比較均勻[5][6]。

　　本文研究了一種基于反激變換器的快速充電電路

　　[1]，對該電路工作原理、設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，對電路原理和性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　2 快充電路工作原理

　　圖 1 為基于反激變換器的超級電容快速充電電路拓?fù)?/strong>及控制框圖。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯(lián)在原邊的開關(guān)器件，副邊續(xù)流二極管，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測及控制 PWM 信號產(chǎn)生電路。與傳統(tǒng)的反激電路相比，該超級電容快速充電電路去除了輸入端濾波電解電容，增加了電路的可靠性;將電流檢測電阻改為磁耦合檢測，降低損耗，并且可以同時檢測變壓器原邊和副邊電流，用以限制副邊充電電流;副邊電壓隔離檢測，用以控制超級電容充電截至電壓。主電路工作原理基本上與反激電路原理類似，但是控制電路結(jié)合超級電容初充電特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿足超級電容初次充電時長時間短路限流充電的要求。

　　圖 2 中 A 為電流檢測(Current Sensor)波形。用與變壓器相同的比例檢測原邊電流和變壓器副邊電流，由于變壓器原副邊與匝比成反比，檢測電流成為連續(xù)的電流波形。電壓比較器(Voltage Comparator)，將檢測電流值與限幅值 Limit1 比較，當(dāng)原邊電流值>=限幅值 Limit1 時，產(chǎn)生信號 B，以產(chǎn)生驅(qū)動信號關(guān)斷功率管。功率管關(guān)斷，原邊電流耦合至變壓器副邊繞組，副邊等效電路如圖 3 所示。副邊電感 L2將能量釋放至超級電容中，當(dāng)副邊電流下降至某一電流值，電流檢測(Current Sensor)輸出值下降至限幅值 Limit2時，產(chǎn)生信號 C，以產(chǎn)生開通驅(qū)動信號，功率管開通，副邊二極管阻斷，輸入電壓 Vin加在原邊電感兩端，電感電流上升，當(dāng)電流值再次上升至限幅值 Limit1 時，關(guān)斷功率管，依此邏輯進(jìn)行控制。副邊超級電容在功率管關(guān)斷時進(jìn)行充電。在充電開始階段，超級電容電壓很低，變壓器副邊電流下降緩慢，開關(guān)頻率很低(通常低至數(shù)百赫茲)，如圖 2 第一階段所示。隨著超級電容電容電壓的上升，副邊電流下降速度加快，開關(guān)頻率增加，如圖 2 第二階段所示。當(dāng)超級電容電壓增加至充電截止電壓時，此時開關(guān)頻率最高(通常設(shè)計(jì)為初始頻率的 10~20 倍)。通過限幅值的設(shè)計(jì)，可以對工作頻率范圍進(jìn)行調(diào)整。與傳統(tǒng)的反激電路不同，該電路不需要頻率發(fā)生器，整個充電過程中，工作頻率自動調(diào)整。

　　由于超級電容電壓的升高，快速充電電路工作頻率增加，增加速率近似為線性變化。輸出電流平均值隨著超級電容電壓升高及工作頻率的增加會有所下降，但是通過合理的設(shè)計(jì)可以使輸出電流 IC變化范圍控制在 5%以內(nèi)，可以看作為近似的恒流充電。根據(jù)超級電容充電特性

　　也可以看作為線性增加。整個超級電容快速充電過程為平滑變化的曲線。通常超級電容組模塊電壓為 24V 或者 48V，容值為 30F~165F。因此設(shè)計(jì)超級電容快速充電電路，設(shè)計(jì)指標(biāo)可以按照 48V，165F超級電容組為對象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　2.2 控制電路工作原理

　　控制電路通過同時采樣變壓器原邊電流 IL1和副邊電流 IL2，將采樣電流與上限幅值 Limit1 與下限幅值Limit2 比較，通過控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，將電流控制在上下限幅之間。圖 4 為輸入電壓波形與電流采樣波形圖。

　　素提高，當(dāng) Limit2=0V 時，可以達(dá)到輸入電流最高功率因素。

　　3.快速充電電路設(shè)計(jì)

　　超級電容快速充電部分分為控制電路邏輯設(shè)計(jì)和主功率部分參數(shù)設(shè)計(jì)。按照上一節(jié)所述控制電路邏輯控制部分由于沒有現(xiàn)成的控制芯片可以采用，因此采用分離的通用集成芯片即可實(shí)現(xiàn)控制部分的設(shè)計(jì)。

　　3.1 控制電路

　　如果在整流輸出側(cè)接入電解電容，可以得到穩(wěn)定的直流輸入電壓。由于鋁電解電容可能存在失效問題，以及壽命限制，使電路穩(wěn)定性及工作壽命受到一定的影響，因此在快速充電電路中避免使用輸入鋁電解電容。將經(jīng)過整流之后的脈動直流電壓，作為上限幅值Limit1 的參照，使輸入電流跟隨輸入電壓的波動調(diào)整，可以提高輸入功率因數(shù)。若將下限幅值 Limit2 設(shè)置為0，可使功率因數(shù)得到進(jìn)一步的提高，但會增加輸出電流紋波量。

　　控制電路原理圖如圖 5 所示?？刂齐娐酚?strong>運(yùn)算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發(fā)芯片 CD4043等構(gòu)成。采用與變壓器相同匝比的互感器進(jìn)行電流檢測，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測信號經(jīng)過 LM358 調(diào)理后與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進(jìn)行比較。二個比較器的輸出經(jīng)過觸發(fā)器 RS4043 鎖存后作為 MOSFET 管驅(qū)動信號。輸出側(cè)電壓檢測作為充電終止信號，控制 CD4043 使能端。

　　設(shè)計(jì)指標(biāo):

　　充電對象：165F 48V 超級電容組

　　快充要求：

　　充電時間 <20min

　　輸入電壓 220Vac

　　輸出電壓 0~24V

　　功率等級 <250W

　　電流紋波 <50%

　　3.2 功率電路

　　根據(jù)上述分析可以歸納出超級電容快速充電器的設(shè)計(jì)步驟為：首先根據(jù)超級電容所需要充電的能量，以及充電時間，預(yù)估快速充電電路功率等級 Po;根據(jù)超級電容對充電紋波電流的限制，計(jì)算出開關(guān)管工作頻率 fsw及開關(guān)管開通時間 ton，同時確定檢測比例 ki、kv和限幅 Limit2 電壓值 Vref;由檢測比例 kv、ki與 ton，計(jì)算變壓器原邊電感量 L1;根據(jù)超級電容最終充電截止電壓，結(jié)合功率 MOSFET 管耐壓，合理地確定變壓器變比 N;根據(jù)以上確定的參數(shù)循環(huán)迭代計(jì)算快充充電時間，并校核快充的工作頻率及工作功率。如果頻率與功率設(shè)計(jì)不合理，需要重新循環(huán)計(jì)算。通過應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算工具 MathCAD 編程可進(jìn)行循環(huán)數(shù)值計(jì)算，可以計(jì)算出在充電整個過程中開關(guān)頻率的變化。

　　4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證該電路工作情況和設(shè)計(jì)方法的正確性，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果搭建了試驗(yàn)平臺，對電路原理進(jìn)行了驗(yàn)證。在 220Vac 輸入下為 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超級電容組進(jìn)行充電，圖 7 為開關(guān)管 DS 端電壓和電流檢測波形。

　　由圖 7 可以看出，檢測變壓器原副邊電流作為開關(guān)管開通和關(guān)斷信號，可實(shí)現(xiàn)恒流充電的要求，同時限幅值 Limit1 跟隨電網(wǎng)電壓變化，可以提高功率因數(shù)。圖 8 為限幅值 Limit1 跟隨電網(wǎng)電壓變化，電流互感器輸出的包絡(luò)線與電網(wǎng)正弦波一致。

　　5.結(jié)論

　　超級電容在初期使用或者長期靜置后，自身存儲能量為 0。在將超級電容投入電氣設(shè)備中使用前，需要對超級電容進(jìn)行快速充電。本文介紹的超級電容快速充電電路可以適應(yīng)超級電容初充電時存在的長時間短路要求，并且該電路具有恒流充電、控制簡單、輸入功率因數(shù)高、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者介紹：

　　王成 (1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向，功率電 子 變 換 技 術(shù) 和 超 級 電 容 儲 能 系 統(tǒng) ，wii1225520@gmail.com;謝少軍(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)和可持續(xù)能源發(fā)電技術(shù);丁予(1990-)男，碩士研究生，主要研究方向，功率電子變換技術(shù) DVR 技術(shù)。