高效率超级电容充电系统设计

胡红彦,吕振东,孙振路

(1.河北省激光研究所,河北石家庄 050081;2.长春理工大学,吉林长春 130022)

高效率超级电容充电系统设计

胡红彦1,吕振东2,孙振路1

(1.河北省激光研究所,河北石家庄 050081;2.长春理工大学,吉林长春 130022)

超级电容器是具有超大容量和高储能密度的新型储能元件,具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快等蓄电池无法比拟的优点。本文结合超级电容的充放电特性,设计了低内阻高效率的超级电容充电电路,有效地提高了超级电容的充电效率。

超级电容;低内阻;高效率;同步整流

引言

超级电容器诞生以来,其独具的循环寿命长、功率密度高、充电速度快、放电电流大等特点使其应用越来越受到人们的重视,在电动汽车中替代蓄电池作为储能元件已经在多个城市试点应用,在光伏发电领域,用超级电容器作为光伏发电的储能装置也具有良好的发展前景。超级电容器与普通电池相比较,有很多优点:

(1)超低等效串联电阻(ESR);

(2)充电速度快,充电10s～10min可达到其额定容量的95%以上;

(3)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达50万次,是锂离子电池的500倍,是镍氢和镍镉电池的1000倍,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年,而且没有“记忆效应”;

(4)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;

(5)功率密度高,可达 3000W/KG-5000 W/KG,相当于电池的5～10倍;

(6)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;

(7)超低温特性好,温度范围宽 -40℃～+70℃,普通电池是-20～60℃;

(8)检测方便,剩余电量可直接读出。

正是基于超级电容的诸多优点,使它应用越来越受到各国政府的重视。但是超级电容充电特性不同于普通蓄电池,它的起始电压低至零伏,目前在国内外针对超级电容这一特性的高效充电装置研究还较少,一般都是使用有恒流限压功能的线性充电器,对于超级电容的充电特性来讲,这种常规充电方式效率会很低,尤其在充电起始阶段,其效率甚至低于5%。

针对超级电容起始电压低的特点,笔者设计出具有功率传输特性的开关变换电路,并采用同步整流技术,降低电源的内阻,实现高效率的超级电容充电电路,使得太阳能电池板输出的能量通过充电电路变换后有效地传输到超级电容上,提高充电效率。

本文的研究,解决了超级电容充电效率不高的问题,实用性强,有助于推动超级电容的应用,具有相当广阔的应用前景。

1 系统软硬件设计

1.1 硬件电路设计

图1为系统硬件组成框图,其电压变换部分由KA 3525型开关电源芯片为核心构成具有功率传输特性的Buck降压电路构成,并采用同步整流技术降低电路的内阻,提高低压大电流输出时的工作效率。

控制核心采用PIC16F886单片机,实现太阳能电池板的最大功率点跟踪、提供变换电路参考电压、充电电压限制等功能。

本电路最重要的特点是采用输入电压反馈实现变换电路的PWM控制,通过这种控制方式,能够实现太阳能电池板输出电压的相对稳定,使太阳能电池板工作在最大功率点状态,从而实现最大功率点跟踪。

图1 充电电路总体设计框图

图2为采用同步整流技术的Buck开关变换电路的拓扑结构,影响变换电路效率的主要因素有开关管Q1的功率损耗、电感L上的功率损耗及续流晶体管Q2上的功率损耗,为降低电路损耗,就要从以上三个方面入手,首先选取沟道电阻小、工作速度高的开关晶体管,第二采用多股绕制的储能电感L,以克服高频工作下电流趋肤效应带来的阻抗升高现象。第三采用同步整流晶体管Q2代替传统电路中的肖特基二极管D,克服了肖特基二极管固有的导通电压带来的固定损耗,从而降低续流二极管带来的功率损耗。

图2 Buck开关变换器拓扑结构

1.2 软件设计

(1)最大功率点跟踪程序设计。太阳能电池工作时,存在最大功率点,太阳能电池输出功率曲线如图3所示,为使太阳能电池板工作状态始终处于最佳状态,需要采用最大功率点跟踪技术。

图3 太阳能电池输出功率曲线

本文的充电电路中是通过单片机来实现最大功率点跟踪功能。具体过程如图4所示,太阳能电池板输出电压和电流经A/D转换后,送入单片机中进行功率运算,最大功率点跟踪程序流程如图5所示,采用逐次比较算法获得最大功率点位置,最大功率点的控制是通过调整PWM电路占空比实现的。

图4 最大功率点跟踪过程框图

(2)过压保护程序设计。系统中采用的超级电容耐压是2.7V,在当超级电容的电压达到2. 7V,充电电路就应停止工作。通过控制 KA 3525芯片的引脚10使能引脚(Shutdow n)去控制充电的通断。使能引脚低电平有效,即使能引脚清“0”,Buck电路开始工作。

图5 最大功率点跟踪程序流程图

超级电容有一定的内阻,虽然内阻很小,但是充电电流很大,这些内阻上的压降也会影响对超级电容电压的采样。为了去除这些影响,在充电的后期,在采样时先暂停充电,过压保护程序流程如图6所示。

图6 过压保护程序流程图

2 电路测试结果与效率分析

测试中使用的超级电容是15个60F的电容并联组成一个容量为900F的超级电容器组,充电电压和电流如表1所示。

表1 超级电容充电测试数据

由表1可以看出,采用同步整流技术,充电电路输出1V时效率已经达到91%,而不采用同步整流技术,测试效率仅为70%,效率提高了21%。测试结果充分表明在低压大电流输出的场合,同步整流可大大提高电路的效率。

超级电容容量两端的电压从0V升到2.5V用时是2分44秒,下面通过这个时间来算一下充电全过程的效率:

太阳能能电池板输出的能量为

由式(7)可以看出现使用线性充电器效率只有46.3%,其余的53.7%的能量都消耗在电源的内阻上了。

η1和η2相比可以明显看出笔者设计的超级电容充电电路的优越性。

3 结论

对超级电容的应用前景进行了探讨,详细阐述了超级电容充电电路的设计过程,并对充电电路的性能进行了测试。

经过对充电电路的系统性研究,可以看出功率开关管的性能、储能电感性能对电路性能影响很大,而同步整流技术的引入,更是解决了低压大电流情况下高效率输出的技术瓶颈。经过测试得到了比传统串联线性稳压充电效率提高40%以上的结果。

目前超级电容的应用越来越广泛,此研究符合绿色能源发展的需要,解决了超级电容充电效率低下的问题,有助于推动超级电容普及应用,具有重要的实用价值。

[1] 许倞,陈家昌.我国“十五”能源科技发展成就及展望[J].中国科技产业.2006,(2).

[2] 陈永真.电容器及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4] 刘和平.单片机原理及接口程序设计[M].北京:北京航空航天出版社,2004.

Charging system design for high-efficient super capacitor

HU Hong-yan1,LV Zhen-dong2,SUN Zhen-lu1

(1.Hebei Institute of Laser,Shijiazhuang Hebei050081,China;2.Changchun University of Science and Technology,Changchun Jilin130022,China)

Super capacito r is a new energy sto rage devices w ith large capacity and high energy density and has the advantages of long cycle life,powerful density and fast charge and discharge compared to accumulator.ln this paper,a super-capacitor charging circuit w ith low-resistance and high-efficiency was designed according to charging and discharging characteristics for super capacitor,effectively imp roving the charging efficiency of super-capacito r.

Super capacitor;Low-resistance;High-efficiency;Synchronous Rectification

TP273

:A

1001-9383(2010)04-0034-04

2010-09-20

胡红彦(1975-),男,河北平山人,助理研究员,主要从事等离子物理技术研究与开发.