超级电容充电器主回路设计与仿真

尤栋伟 杨计晓 雷涛 沈非凡

摘要：随着科学技术的发展，人类社会已经越来越离不开可移动电源了。手机需要电池，电动汽车需要电瓶，如今户外活动机器也需要可移动电源。而现在的大多数电源存在着充电时间过长以及使用寿命过短的情况。这使得人们日常的工作生活受到很大的限制，充满着诸多不便。因此，找到一种充电速度快、更高效、更稳定的电源就极为重要。

本文首先对超级电容的基本结构、工作原理和特点及充放电电特性进行了阐述，分析了超级电容的储能原理及相比于普通电容的优势，说明超级电容得到普及的可能性。通过超级电容瞬间放出大电流这一特性，提出了将超级电容作为脉冲发生器的这一设计构思。其次，介绍了超级电容的充放电模型，对超级电容的充放电特性进行介绍，以及对Buck-Boost电路的工作原理，相关参数进行介绍及计算。对Buck-Boost电路中的器件进行选型，最后通过仿真波形判断选型是否正确。

关键词：超级电容，Buck-Boost电路，恒流充电，脉冲发生

1.国外发展现状

上世纪70年代初，美国就开始了对动力电池充电器的研究工作，后来国外许多国家也纷纷加入其中，利用人工智能、模糊控制等先进技术，改善了充电机的充电方式并取得了较好的效果。传统功能简单的充电机发展成功能齐全、易于控制的智能型充电设备，这种改善后的智能充电机能够实现对电流、电压、充电电池温度等相关参数的监测和显示;不仅能够实现充电策略的定制，而且还可以根据充电电池的种类以及电池状态来设定不同的充电方式;同时设计有各种充电保护电路，具有更高的安全性。

超级电容充电器的国际市场广阔，美国、欧洲和日本都在积极开展超级电容的研究开发工作。目前，在该技术领域处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国。

2.国内发展现状

中国从20世纪90年代开始研制超级双电层电容器，与国外先进水平还有一定差距，但已经有一些企业积极投入到了超级电容器的研制和生产中，发展较快。

2011年周翔等研制了一种超级电容的充电装置及充电方法，该充电装置在充电的开始阶段，使用软启动方式，当超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式;当超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用恒功率充电方式。

虽然我国的对超级电容充电机的研究有了很大程度的发展，但同国外相比还有很大的差距。我国设计的超级电容充电机大多都是通用型充电机，但由于超级电容单体的端电压很小在使用时必须串联使用，如果釆用通用型充电机就会造成每个超级电容单体的差异性，从而影响电池组性能的一致性，缩短电池的使用寿命。

3.超级电容的优缺点

超级电容有许多普通电容无法比拟的优点：

（a）超大的容量。与传统的电容器相比，超级电容所采取的多孔碳电极材料，有着高达200m2/kg的比表面积，极板距离更是只有几个纳米。超高的电极比表面积加上极小的极板间距，使得超级电容的电容量远远高于普通电容器的容量水平。

（b）大电流充电。超级电容器的充放电过程是一种物理过程，大电流充电并不会影响其内部特性。通常，超级电容可以实现大电流快速充电，充电时间仅需几分钟，甚至只有几十秒。

（c）无需检测是否充满，过充无危险;超级电容的充电过程是一个物理过程，过冲过放都不会存在危险。

（d）高循环充放电次数。超级电容作为一种新型的电容器，没有“记忆效应”。因此，它有着超高的循环充放电次数，一般可达10万次以上，远远高于锂离子电池的300-500次。

（e）超宽的适用温度范围。超级电容的使用温度一般在-40——+85℃之间，相比于普通电池的0——+40℃的温度范围，超级电容有着不可比拟的优势。

（f）超级电容的比能量密度为5-20kw/kg，这些都能使超级电容灵活使用于诸多应用场合。虽然超级电容的单体容量跟蓄电池相比，还有一定差距。但由于超级电容独特的内部特性，其容量可有多个超级电容组合来提高。通过多个超级电容器的并联组合，可以随意提高超级电容的容量。

4.超级电容器的应用现状

近年来，由于超级电容良好的性能，其在多个领域得到了广泛的应用。

（a）在电动汽车领域，利用超级电容作为短时能量存储方案，并用以提升动力性能，为汽车在启动、加速、爬坡等过程中提供所需要的峰值功率，辅助电池提供峰值电流。也可以单独作为汽车的动力源，为汽车提供能源。在上海，由奥威科技研发生产的超级电容公交车有数百辆，公交车通过车顶的充电设备集电弓，利用公交车靠站的碎片时间实现十几秒快速充电。

（b）在光伏发电领域，光伏系统输出功率的周期性、不定量性和随机性等特点给输出电能的直接应用带来困难，可以利用超级电容作为中间储能装置来解决这一问题。

（c）由于功率密度高、循环寿命长、免维护等特点，超级电容器也可作为不间断电源的储备能源使用。当市电处于正常状态时，超级电容器作为储能系统进行电能的存储。在市电发生故障无法正常供电时，超级电容可以瞬间大功率输出电能进行补偿，使用电设备避免受到电能质量的影响而损坏。

（d）在一些电子产品上，如照相机闪光灯、东芝手摇发电机、收银机储能装置等均应用到超级电容。

（e）除储能之外，还可以利用超级电容瞬間产生巨大的脉冲能量，如应用于激光核聚变、离子束武器、高能微波和雷达发射器等领域。而本文所设计的超级电容充电器就是针对雷达发射器所设计的。

随着科技的发展和制造技术的不断完善，超级电容的制造及质量会大幅度的提高，其性能也会越来越优越。因此超级电容在储能及快速充放电领域的应用也会越来越广泛。

超级电容也存在着一些不可忽视的缺点。比如：

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%。本文对这个缺点没有提出有效的解决方法，因此在后续的工作中，应该着重研究怎么样的充电方式能提高超级电容充电起始阶段的充电效率。

参考文献：

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[2]  张天然. 超级电容充放电系统仿真研究[J].内蒙古科技与经济，2016，（21）：100-101.

[3]  杜永博. 超级电容恒流充电器[D]. 北京交通大学，2016.

[4]  李秀珍，孙志诚. 超级电容器充放电动态特性分析[J]. 电子元件与材料，2015，（08）：1   00-102.

[5]  王恩峰. 超级电容器储能系统的充放电研究[D]. 南华大学，2015.

作者简介：尤栋伟（1979-12月-25日），汉，男，河北省保定市，硕士，研究方向：通信电子。

（作者单位：1、2、西安集优企业管理咨询有限公司）