超级电容器可调恒电流充电实验

倪 雨，李万翔

（1.成都信息工程大学控制工程学院，四川成都610225；2.国网新疆电力公司阿勒泰供电公司，新疆阿勒泰836500）

超级电容器可调恒电流充电实验

倪 雨1，李万翔2

（1.成都信息工程大学控制工程学院，四川成都610225；2.国网新疆电力公司阿勒泰供电公司，新疆阿勒泰836500）

针对超级电容器欠缺大电流恒电流充电电源的问题，分析恒电流电源关键技术，并以超级电容器主要特征为基础，经过效率测算确定了恒电流充电电路的输入电压，获得较高转换效率。该恒电流电源控制器基于单片机设计，可手动设置输出电流数值，并设置输出电压检测端，以防止电容过充电。实验样机实现了对大容量超级电容器的大电流快速充电，实验结果验证了可调恒电流充电控制电路的可行性和可靠性，具有推广价值。

超级电容器；恒电流充电；转换效率；过充；单片机

0 前言

超级电容器具有内阻小、充放电效率高（90％～ 95％）、循环寿命长（几万至十万次）、无污染等独特优点，同时弥补了常规储能器件的主要缺陷[1]，在诸多领域得到了广泛应用。如在车辆起动、加速、制动能量回收等短时间大功率工作条件下，超级电容器实现了能量的快速释放和存储[2-3]。

我国超级电容的生产和应用仍处于初级阶段，仍需深入研究改善超级电容器性能的方法和超级电容器充放电控制技术，使其在更多领域发挥优势[4]。目前的超级电容器恒电流充电市场上，国内产品多为电流小于1 A的恒电流源，缺少对超级电容器的大电流充放电电路的研究；国外虽有大电流恒电流源，但价格昂贵。研发大电流充放电的恒电流源具有较高经济实用价值[5-6]。本研究针对一组超级电容器设计制作一台充电电流大于1 A的可调恒电流充电电流源，并进行稳定运行实验，以及两种情况下的启动和停止实验。

1 电源电压

充电电源电压的选择是为了提高超级电容器的充电效率、缩短充电时间，从而达到快速充电目的，充分发挥超级电容器的优势[7－8]。设计选取常用直流电源，超级电容器选取5 V、10 F的电容，使用美国泰克公司的TDS3024B示波器进行测试，通过检测超级电容器的电流和电压，获得超级电容器充电的效率值，即UoIo/UinIin。超级电容器充电进行效率测试对比结果如图1所示。

图1 效率曲线

由图1可知，Uin为输入直流电电压，当输入直流电压为4.75 V，输出电流为0.25 A时，充电效率最高可达到95％；但当充电电流超过1 A时，输入电压为12 V时的效率最高，可达到90％。故设计采用12 V直流电源。

2 恒电流充电主电路

超级电容器恒电流充电主电路如图2所示。

图2 恒电流充电主电路

由图2可知，采用L-C低通滤波电路与MP1482芯片相结合构成Buck变换器，作为恒电流充电主电路。输入12 V直流电压经芯片MP1482转化为方波，由方波通过电感转换为一个三角波，再通过采样电阻R5采样，比较采样电压和COMP管脚电压以控制电感电流的峰值，达到每个开关周期都进行过电流保护。FB为反馈输入端，接输出电压分压，为了能达到输出电流恒定[9-12]，设计将管脚接电流采样信号，分析如下。

电路工作时，负反馈电路自动调节LM358的输出端1脚电压Uo达到MP1482S的内部参考电压0.923 V，推导如下。

采样电阻R5上的电压

虚断LM358的同相输入端，结合R2=R3可得

根据运放的虚短原理

根据虚断原理

将条件R6=R7代入式（4）得

将式（1）和式（2）代入式（5）得

稳定运行时，将Uo=0.923 V代入式（6）得到

为了实现恒电流充电电路的充电电流可调，整理式（7）可得DA电压值和充电电流给定值的对应关系

式中R5为输出电流采样电阻；UFB为MP1482S内部参考电压，典型值为0.923 V；UDA为DA的输出电压值，调节DA的值设定输出电流大小；R1、R4为电压采样电阻。

3 控制系统软件流程

针对如图1所示主电路，根据大电流恒电流充电控制策略，控制程序流程如图3所示。

图3 系统软件流程

充电控制电路的控制核心采用89S51单片机。主要工作过程为：将输入的模拟电流信号转化为数字信号，再与基准值进行对比，根据差值控制PWM波的占空比的输出，从而实现控制BUCK电路对超级电容器的恒电流充电。为方便观察超级电容器充电过程，采用液晶显示器显示超级电容器的电压和电流。

通过按键设定充电电流给定值，达到充电电流可调的目的。当超级电容器电压达到4 V时，智能调节充电电流为1.06 A，有效防止了芯片MP1482S过功率保护问题；通过电压采样电路，得到超级电容器的电压，防止超级电容器过充[11]。

4 测试实验

硬件测试包括：充电电路的正常工作状态，直流电源开机和关机、通电后Uen的开关机状态进行测试，确保开启充电过程的可靠性和稳定性。使用美国泰克公司的TDS3024B示波器对电路的主要端口进行测试，波形分别为：Uo为输出电压波形，SW为开关管电压波形，IL为电感电流波形，Uin为输入电压波形，EN为使能端电压波形。

4.1 电路正常工作状态

超级电容器充电测试电路稳态工作时，输出电流Io分别为0 A和2 A时，输出纹波和开关波形如图4所示。由图4可知，充电电路稳定工作于空载或满载时，开关频率为330 kHz，输出电压纹波为20 mV，为超级电容器额定电压5 V的0.4％，满足超级电容器充电要求。

4.2 电路启停过程

通过测试电路的开关机暂态，可以有效测试出电路运行的可靠性，保证了电路在各个突发状态下稳定运行，对超级电容器起到必要的保护作用，防止电容充放电时电流、电压突变所引起烧毁甚至爆炸[5，15]。

4.2.1 上电和断电过程

当电路上电或断电时，电流电压发生剧烈变化而形成瞬时干扰，严重干扰则会危及超级电容器。分别对Uin测试在输出电流为0 A和2 A时的开关机状态，实验波形如图5所示。

由图5可知，在芯片上（下）电时，充电电路正常工作，带负载启动和空载启动波形平滑，无过冲，无震荡，工作稳定可靠，保护了强电设备中电感、电容等储能元件。

图4 稳态工作时波形

图5 Uin开关机暂态波形

4.2.2 软件开关机暂态过程

当软启动（关软机）时，电流电压也可能发生剧烈变化而形成瞬时干扰，影响甚至危及超级电容器。分别对UEN测试在输出电流为0 A和2 A时的开关机状态，实验波形如图6所示。

由图6可知，通过使能端开关机时，恒电流充电电路无异常。芯片通过使能端开关机，带负载和空载关机波形无异常，工作稳定可靠，确保了控制系统的抗干扰能力，有效防止数字信号对模拟信号形成干扰。

恒电流充放电实物如图7所示，主要由PCB板，89S51单片机，MP1482芯片，3个5V、10F超级电容器，Nokia5110液晶显示器，BUCK电路，灯珠，放电电阻组成，通过测试验证了恒电流系统的可靠性。

5 结论

介绍超级电容器的优势、发展前景及应用超级电容器需要的关键技术，实现了可调的大电流恒电流源充电系统，制作实验样机，并通过测试。在此系统中，选用恒电流可调充电方式对超级电容器进行充电，同时解决了恒电压充电初始充电电流很大的问题，且使得超级电容器能够快速、可靠地进行电流充电，并得到很好保护和利用，充分发挥了超级电容器的优势。恒电流充电电源的充电电流可调，适用于不同型号超级电容器，具有广泛实用价值。

图6 UEN开关机暂态波形

图7 超级电容器恒电流充放电控制系统实物

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Experimental study of adjustable constant-current charging for super capacitor

NI Yu1，LI Wanxiang2
（1.College of Automatic Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Aletai Power Supply Company，State Grid Xinjiang Power Company，Aletai 836500，China）

According to the problems of lack large-current constant current charging power supply for the super capacitor，the key of constant current power supply was analyzed，then based on the super capacitor characteristics，and through efficiency measurement to determine the input voltage for the constant current charging circuit，finally high conversion efficiency was obtained.The controller design was based on single chip machine，the output current value could be manually set，and the output voltage detection was used to prevent the capacitance overcharging.Experimental prototype can fast charge super capacitor with large current，the experimental results verifies the feasibility and reliability of the adjustable constant current charge circuit，with wide application.

super capacitor；constant current charging；conversion efficiency；overcharge；single chip

TG434.1

A

1001－2303（2017）01－0051-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.10

献

倪雨，李万翔.超级电容器可调恒电流充电实验[J].电焊机，2017，47（1）：51-55.

2014-11-20；

2016-11-10

四川省教育厅重点项目（自然科学类）（15ZA0187）

倪雨（1978—），男，四川成都人，副教授，博士，主要从事微型电网技术、新能源发电技术、开关变换器拓扑及控制技术的研究工作。