超级电容在手机移动电源中的运用

江友华, 钱 彦

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

超级电容在手机移动电源中的运用

江友华, 钱 彦

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

概括了超级电容的原理和发展前景,介绍了运用超级电容代替锂电池作为手机移动电源的总体思路.采用控制电路来控制升/降压电路中脉冲带宽的大小,同时为不引起干扰,采用一个独立的升/降压电路为之供电.该移动电源具有使用时间长、充放电快、无过充电危险、环保等特点.

超级电容; 手机; 移动电源

随着科学技术的发展,手机在人们的社会生活和工作中变得越来越重要.为了延长手机的单次使用时间,外接的移动电源应运而生.目前手机移动电源基本都是用锂电池作为储电单元.但锂电池充放电速度较慢,大电流充电易损坏电池,同时又非常不环保.超级电容是近几年发展起来的,它具有数万次以上的充电寿命,可大电流充电,且过充无危险(即无需保护电路)等优点[1],其中大电流充电的优点尤为受到人们关注.因为较大电流对超级电容充电基本没有损害,但锂电池极易受到影响.虽然超级电容储蓄电能的能力小于锂电池,但手机所需电量不高且移动电源可以外带,总体来说利大于弊,所以可以用超级电容代替锂电池手机移动电源中的位置[2-3].本文设计了一种电路,使超级电容的电能能够稳定地释放出来,从而使其能作为一个独立的电源使用.

1 超级电容器的原理

1.1 理论表述

超级电容充电时,其储蓄的能量E与电容C成正比,与充电电压U的平方成反比,其中C表征电容器储存电能(电荷量)的能力[4]:

而C的大小又是由电容器的结构决定的:

式中:εγ——电解液的相对介电常数;

A——电极的表面积;

ε0——真空介电常数;

d——双电层的厚度.

可以看出,如果采用表面积极大的活性炭作为电极材料,即A极大,就会极大地增加电容器存储电荷的能力,即能够大电流充电且不损害电池,这就是超级电容器与普通锂电池的本质差别.

1.2 超级电容器的长处和劣势

1.2.1 超级电容器的长处

超级电容器最显著的特点是循环寿命和比功率很高[1].因为超级电容器在充放电时由于内部没有电化学反应产生的阻抗,使超级电容具有远高于锂电池的比功率.运用到手机移动电源上时,就可以实现在短时间内(几分钟内)完成充放电.而相同容量的锂电池充放电的时间往往都长达几小时及以上.另外,超级电容器电极材料的晶体结构不会因为其充放电而变化,因此其循环使用寿命通常可以达到数万次以上.同时,若超级电容过充电,即电容一旦达到过充电电压,这时超级电容中正负极之间自然断开,这相当于一种另类的过充电“保护电路”.这就意味着利用超级电容作为存储单元的手机移动电源不需要像利用锂电池那样需要保护电路,以免过充电损害电池健康.

1.2.2 超级电容器的劣势及措施

图1 恒流放电时超级电容器的电压与所释放容量的关系

2 手机移动电源的电路总体结构

本文设计的电路参考了文献[5]和文献[6],并在此基础上进行了改进,其总体结构如图2所示.

图2 电路总体结构

它以超级电容为中心,分为充电电路和工作(放电)电路两部分.当手机移动电源电量低时,即超级电容的电量降低到一定值时,就通过充电电路对其充电.因为超级电容可以用安培级电流充电,所以充电过程只要几分钟就可完成,而不需要像传统的移动电源一样充电长达几个小时.当手机需要充电时,接入手机移动电源,即超级电容工作放电.但因为电容放电的过程是电压沿指数函数下降的过程,若要获得较稳定的电压就要通过控制电路来判断其实时电压的大小,以控制升/降压电路脉冲带宽的大小,使其输出电压稳定在手机所需的充电电压(一般在5 V左右).同时为不引起干扰,采用一个独立的升/降压电路为之供电.

3 充电电路设计和升/降压电路设计

充电电路的设计采用的是文献[2]中的充电电路设计,这里就不再详述.

本文主要分析升/降压电路的设计,如图3所示.选择升/降压电路的原因在于可以灵活地根据输入电压的改变而把输出电压控制在一个定值中.即针对超级电容器的劣势,采用升/降压式变换器来升/降电压以保持输出电压的稳定.

由仿真得到的结果如图4和图5所示.假设输入电压为3.3 V时,若设置脉冲宽度为60(即D=0.6),可使得输出电压:

即升压至5 V.假设输出电压为7.5 V,若设置脉冲宽度为40,则可得:

则实现了输出电压稳定在5 V的目的.即当用控制电路根据输入电压的变化设置升/降压电路中的脉冲宽度时,可实时实现输出电压稳定在5 V左右.

图3 升/降电压仿真电路

图4 升压过程及输入电压为3.3 V时的仿真结果

图5 降压过程及输出电压为7.5 V时的仿真结果

4 结 语

本文基于超级电容的使用时间长、充电快、无过充危险且环保等特点,将其作为独立电源使用,形成一种可快速稳定的充放电的新型手机移动电源.设计了一种简单的升/降压电路,可以根据输入电压的改变而把输出电压控制在一个定值,解决了因为超级电容放电中电压沿指数函数下降的问题.但移动电源容量偏小的问题依然没有得到解决.相信随着超级电容容量的增加,超级电容必将成为储蓄电池行业发展的一个方向.

[1] 廖川平.超级电容电池[J].化学通报,2014(9):865-871.

[2] 闫晓俊,黄耀志.超级电容在手机电源中的应用[J].通信电源技术,2006(6):57-59.

[3] 孙雷.超级电容的原理及应用研究[J].科技信息,2013(34):1-2.

[4] 单金生,吴立锋,关永,等.超级电容建模现状及展望[J].电子元件与材料,2013(8):5-10.

[5] 苗永康,周燕,王健,等.基于超级电容的太阳能应急手机充电器设计[J].科技视界,2015(19):26.

[6] 肖佐无,王海波.基于PID的电动汽车超级电容稳压放电研究[J].工业控制计算机,2015(10):133-134.

ApplicationofSuper-capacitorinthePortablePowerofMobilePhone

JIANG Youhua, QIAN Yan

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The principle and the development prospect of super-capacitor is first summarized.Then,the comprehensive idea of utilizing super-capacitor replacing lithium battery in portable power of mobile phone is introduced.A step up/down circuit needs a control circuit to control the size of its pulse bandwidth.At the same time,in order to eliminate interference,an independent step up/down circuit for power supply is included.The power has these traits of fast charge,long life,secure over-change,environmental protectionand so on.

super-capacitor; mobile phone; portable power

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.020

2016-03-16

钱彦(1992-),女,在读硕士,浙江杭州人.主要研究方向为电力电子,电能质量分析.E-mail:13735560059@163.com.

TN86;TM53;F407.6

A

1006-4729(2017)05-0511-04

(编辑 胡小萍)