一种新型充电模式超级电容的探讨

周文良，郭晨沐

（长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012）

一种新型充电模式超级电容的探讨

周文良，郭晨沐

（长春工程学院电气与信息工程学院，长春130012）

采用恒流转恒压充电模式，设计了一款充电装置，并对实际超级电容样品进行充电实验、测试以及深入研究，结果显示该种充电模式充电效率高，充电效果好。

超级电容；充电模式；充电装置

1 概述

近年来，超级电容广泛应用于风能、光伏发电、机车启动系统、通讯、信号监控及后备电源等方面，成为了当前能源技术领域研究的热点。

当前专门针对超级电容的充电设备贫乏，大多使用传统的通用型充电装置，而传统的通用型充电装置是针对蓄电池、铅酸电池设计，其充电方式通常为多阶段小电流充电的方式，充电时间很长，采用这种方式给超级电容充电会产生诸如增加超级电容的充电时间、影响超级电容的使用寿命等问题，而且超级电容所具有的可大电流快速充电的特点也没能得到发挥和利用。

1．1 超级电容的等效电路

超级电容的简化等效模型如图1所示，其中Rep为等效并联电阻，其阻值一般较大；Res为等效串联电阻，其阻值一般不大。

图1 超级电容简化等效模型

1．2 超级电容的充电特性

国内很多科研机构对超级电容的基本特性进行了研究。上海交通大学曾对车用超级电容组（50 000F以及100 000F）进行充放电实验，结果显示：1）对超级电容充电时，超级电容的容量随着充电电流的增加而下降；2）充电电流越大，超级电容端电压升高速度越快；3）当大电流充电时，虽然可以缩短充电时间，但是充电效率会下降，储能效率将减小；4）快速充放电会导致电容温度上升。

2 超级电容智能充电装置的设计

采用恒流转恒压充电方式，设计一种超级电容充电装置，其设计要求如下：1）输出功率Po＝3 000W；2）工作频率f＝50kHz；3）恒流可调范围为0～50A；4）恒压可调范围为0～60V；5）采用全桥移相PWM控制。

2．1 超级电容智能充电装置的系统构成

这里采用恒流转恒压充电模式，依据超级电容的充电特性，有针对性地设计一种智能充电装置，在保证快速充电的同时，还兼顾了超级电容的充电容量、充电效率和不损害超级电容的使用寿命等因素。

超级电容智能充电装置主要由主电路和控制电路构成，主电路包括桥式整流电路、滤波电路、IGBT全桥变换电路、高频变压器、高频整流滤波电路。控制电路包括主控制芯片（单片机最小系统）、IGBT驱动模块、A／D转换模块、保护电路、显示模块、故障输出模块和按键电路。超级电容智能充电装置的系统构成如图2所示。

2．2 超级电容智能充电装置的工作原理

1）主电路。超级电容智能充电主电路包括桥式整流电路、滤波电路、IGBT全桥变换电路、高频变压器、输出整流滤波电路，将输入的交流电转化为所需要的直流电输出，其实质就是AC－DC－ACDC的变化过程。

2）控制电路。控制电路主要包括充电控制电路、数据采集电路、系统保护电路、按键和显示电路。

图2 超级电容智能充电装置的系统构成方框图

2．3 主电路的设计

充电装置的主电路由主继电器控制电路、桥式整流电路、输入端滤波电路、IGBT全桥变换电路、高频变压器及其副边整流滤波电路等组成。

1）主电路的控制。包括带漏电保护的空气开关和固态继电器（SSR），通过CPU的I／O引脚控制固态继电器的导通与关断，具体电路如图3所示。

图3 主继电器控制和桥式整流电路

2）桥式整流电路。由于充电装置输出功率大，则需采用交流电（AC）作为其输入电源，并由4个二极管组成桥式整流电路。经桥式整流后得到含有脉动成分的直流电，输出为U01，具体电路如图3所示。

3）输入侧滤波电路。输入侧滤波电路由滤波电感（L1）、低频滤波电容（C1和C2）、保护电组（R1和R2）以及高频滤波电容（C3）等组成。由于C1、C2容量较大，故并联有适当阻值的泄放电阻R1、R2。该电路的作用是对电网来的混有高、低频的交流电进行滤波，滤除低频和高频的干扰。其具体电路如图4所示。

4）全桥逆变电路。逆变电路由IGBT全桥变换电路、高频变压器和输出整流滤波电路组成。IGBT全桥逆变电路将整流后的直流电转换成高频交流电，再由高频变压器实现隔离和变压。其具体电路如图5所示。

图4 输入侧滤波电路

5）输出侧整流滤波电路。高频变压器低压侧整流滤波电路由两个快恢复二极管、滤波电感和滤波电容组成。该电路的作用是对高频变压器输出的高频交流电整流，再滤去整流后的干扰。其具体电路如图5所示。

综合以上各方面因素，对主电路总体硬件电路进行设计，如图6所示。工作原理为：当主电路电源被CPU控制接通时，交流电加在桥式整流电路中，整流后的直流电通过输入侧的LC滤波电路滤波后形成平滑稳定的直流电，之后又被加到4只大功率的IGBT组成的全桥变换电路的原边上，4个桥臂上的IGBT在其驱动装置的控制下，按控制规律轮流导通与关断，使高频变压器的原边形成交变的闭合回路，在变压器的副边形成高频交流电，该交流电经整流滤波后，形成所需的稳定直流。主电路将检测得来的输出电压或电流反馈给控制电路，然后控制电路将其进行分析比较，进而控制PWM输出，来实现对电压或电流的调控。

图5 全桥式逆变电路

图6 超级电容智能充电装置总硬件电路

2．4 控制电路的设计

2．4．1 控制系统构成

超级电容智能充电装置控制部分主要包括：单片机最小控制系统、IGBT驱动模块、主电路输入侧电压釆集模块、充电装置输出侧电压和电流采集模块、环境温度采集模块、按键电路、显示模块、故障输出模块等。超级电容智能充电控制系统构成如图7所示。

图7 超级电容智能充电装置控制系统构成

2．4．2 控制系统工作原理

超级电容智能充电装置工作时，作为主控制芯片的单片机对充电装置进行全面控制。系统上电后，单片机控制系统开始工作，分析比较采集来的电压和电流数据。若数据正常，且输出无故障，单片机控制系统控制固态继电器（SSR）导通，接通主电路电源，系统正常工作。在工作过程中，传感器将所检测到的输出电流或电压反馈给单片机，单片机将其与恒压转折电流或恒流转折电压进行分析比较，然后通过IGBT驱动模块来动态调节电流或电压（即调节PWM输出占空比），从而构成了闭环反馈控制系统，并且还能进行恒流转恒压充电，以及达到恒压转折电流后终止充电过程的目的。控制系统上电后，若采集来的数据有故障，CPU控制固态继电器，不接通主电路，并立即发出报警，直至排除故障。在系统的充电过程中，系统不断采集相关数据并进行分析，与系统内设定的数据进行比较，若有异常，CPU立即切断输出，对系统实施保护。

2．4．3 控制系统的设计

超级电容智能充电装置的核心是控制系统，它需要实现多种数据的采集和具备调控功能，还要完成各种故障保护，输出显示与报警等功能。

设计超级电容智能充电装置，需要检测主电路输入电压、输出电压和电流及环境温度等信息，采用单片机能达成以上需求，且该芯片还含有A／D转换模块和数据存储模块，尤其是该芯片还含有PWM调制模块，可方便地用来驱动IGBT，进而控制全桥变换，是本系统较为理想的中央控制单元。

本文选用美国微软公司生产的PIC18F4580芯片作为控制芯片。该芯片的主要特点如下：1）高达2MB的程序存储器；2）高达4KB的数据存储器；3）3个外部中断引脚；4）丰富的I／O端口，最大灌电流可达25mA；5）捕捉／比较脉宽调制模块：可实现1个、2个或者4个PWM输出；6）10位A／D转换模块；7）工作电压范围宽：2．0～5．5V；8）工业级温度范围。

2．5 软件系统的设计

2．5．1 主程序设计

主程序的设计流程图如图8所示。系统上电后，首先进行初始化，再判断是否有故障发生，若有故障，就进行故障处理，若没有故障就启动开关，进行A／D转换采样，调用充电子程序对超级电容进行充电，故障检测等操作，并不断循环。

图8 主程序流程图

图9 充电子程序流程图

2．5．2 充电子程序设计

充电子程序的设计流程图如图9所示。恒流转恒压充电方法是：先以恒定电流的方式给超级电容充电，待检测到输出电压达到充电转折电压时，需转用恒定电压的方式给超级电容充电。在恒压充电过程中，当检测输出电流达到恒压转折电流（即充电终止电流）时，CPU将关闭PWM输出，结束充电过程。

3 实验与测试

以实际超级电容样品（48V165F）为实验对象，对其采用恒流转恒压方式充电（恒流转折电压设定为47．5V）。在充电过程中，使用高精度的电压表和电流表测量充电装置输出电流及电压的大小，当输出电流达到恒压转折电流（即充电终止电流）时，充电完成。测试的数据如表1和图10所示。

表1 恒流转恒压方式运行，其电压值

图10 恒流转恒压充电曲线

4 结语

本文从设计的要求出发，采用恒流转恒压充电方式，设计出了一款智能充电装置，并借助测量仪器对其进行充电测试，效果令人满意。

采用恒流转恒压充电方式，对超级电容器组进行充放电实验研究，结果表明：采用恒流转恒压充电方式，可以用较大电流充电，节省充电时间，后期采用恒压充电，可以提高储能密度。但是，当采用恒流转恒压充电方式时，恒流转折电压和恒压转折电流的设定值非常重要，如果设定值不合适，可能会出现超级电容过充或未充满的情况，这将影响超级电容的充电效率和使用寿命，乃至损坏超级电容。

［1］汪亚霖．超级电容充电策略研究［J］．机械工程与自动化，2012（5）：170－171．

［2］祁新春．双电层电容器电压均衡技术综述［J］．高电压技术，2008（5）：293－297．

［3］储君．电动车用超级电容参数特性的实验研究［D］．上海：上海交通大学，2004．

［4］王睿庭．开关电源充电机的研制［D］．兰州：西北师范大学，2007．

The Explore to a Super Capacitor Charging Mode

ZHOU Wen－liang，etc．
（School of Electrical ＆Information Engineering，
Changchun Institute of Technology，Changchun130012，China）

：This thesis has adopted the constant flow charging mode to design a charging device，and makes an charging experiment，test and further research to the actual super capacitor．The result shows that this charging mode is efficient and with good charging effect．

super capacitor；charging mode；chargingcircuit

TM53

A

1009－8984（2016）02－0024－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．006

2016－06－12

2015年国家级、省级大学生创新创业训练计划项目（201511437048）

周文良（1959－），男（汉），长春，教授主要研究电气控制与检测。