替代蓄電池的超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)

由圖4可知，超級(jí)電容單體在充電電流為3A~8A時(shí)保持比較高的充電效率,之后，隨著電流強(qiáng)度的增大，損耗在相應(yīng)電阻上的功率也隨之增大,充電效率逐漸下降。

根據(jù)上面的結(jié)果，我們采用L4970A芯片構(gòu)成相關(guān)的充電電路對(duì)超級(jí)電容進(jìn)

行充電，如圖5所示，該電路可以提供10A的恒流充電電流，其輸出電壓由電阻R7和R9確定。

L4970A是ST公司推出的第二代單片開關(guān)穩(wěn)壓器，具有輸出電流大，輸入電壓范圍寬，開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，具有很高的充電效率。市電220V通過整流濾波之后輸出35V的直流電壓，隨后通過圖5所示電路。如圖所示，C1和C2為輸入端濾波電容，C3、C4分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)啟動(dòng)端和Vref端的濾波電容。R1和R2構(gòu)成復(fù)位輸入端的電阻分壓器，C5為軟啟動(dòng)電容，C6為復(fù)位延遲電容。C8和R3構(gòu)成誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，C7則用于高頻補(bǔ)償。R4和C9分別為定時(shí)電阻和定時(shí)電容。C10為自舉電容。續(xù)流二極管VD采用MBR2080型（20A/80V）的肖特基二極管。C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，R6為復(fù)位輸出端的內(nèi)部晶體管的集電極電阻。C12~C14為輸出端濾波電容，并聯(lián)三只相同的220μF/40V的電解電容以降低其等效電感。

L4970A芯片的輸出電壓設(shè)定為10.8V，其輸出電阻R7由下式確定：，其中R9=4.7K，令Uo=10.8V，則R7=5.25K，取標(biāo)稱值5.1K。

超級(jí)電容的充電的時(shí)間根據(jù)公式，其中C為超級(jí)電容的額定容量，dv為超級(jí)電容的電壓變化，I為超級(jí)電容的充電電流，t為充電時(shí)間。故超級(jí)電容陣列的充電時(shí)間為（充電電流為10A的情況下）

3.2 穩(wěn)壓輸出電路

由于代替的蓄電池模塊的輸出電壓為12V，而超級(jí)電容的電壓為10.8V，且隨著超級(jí)電容工作不斷放電，其兩端的電壓將不斷降低，當(dāng)超級(jí)電容釋放儲(chǔ)能的50%的能量時(shí), 其端電壓將下降到初始電壓的70%。因此需要相應(yīng)的升壓控制電路避免由于超級(jí)電容陣列電壓的降低影響負(fù)載的正常運(yùn)行,提高超級(jí)電容儲(chǔ)能的利用率。

圖6 穩(wěn)壓輸出電路

我們采用MAXIM公司的升壓型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很寬的輸入輸出電壓范圍，它可以將3~12V的輸入電壓升高到12V輸出，同時(shí)，由于其采用了低至100mV的電流檢測(cè)電壓和MAXIM公司特有的空閑模式，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，具有最高1A的電流輸出能力，升壓電路如圖6所示。

MAX668為固定頻率，電流反饋型PWM控制器，內(nèi)部采用雙極型CMOS多輸入比較器，可同時(shí)處理輸出誤差信號(hào)、電流檢測(cè)信號(hào)和斜率補(bǔ)償信號(hào)，由于省去了傳統(tǒng)的誤差放大器，從而抑制了由誤差放大產(chǎn)生的相移。MAX668能夠驅(qū)動(dòng)多種類型的N溝道MOSFET,這里選擇的是FDS6680。由于芯片工作在100 kHz 以上的高頻狀態(tài)，所以二極管D1應(yīng)選取可高速關(guān)斷的肖基特二極管，本文選擇的是MBR5340T3。

超級(jí)電容以4個(gè)串聯(lián)，2組并聯(lián)的方式構(gòu)成。每個(gè)超級(jí)電容的能量輸出為

其中，為芯片的最低啟動(dòng)電壓。

故超級(jí)電容陣列的能量總輸出為，超級(jí)電容陣列的容量為

本超級(jí)電容替代模塊的容量為10Ah，最大輸出電流為1A，若要擴(kuò)大其應(yīng)用范圍只需要改變超級(jí)電容的串并聯(lián)數(shù)量和相應(yīng)的芯片即可。

四、總結(jié)

由于容量的限制, 電容的作用一直被限制在濾波、耦合、諧振等方面。隨著超級(jí)電容的發(fā)展，其應(yīng)用范圍得到不斷拓寬。本文介紹了一種替代蓄電池的超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊，通過合理地設(shè)計(jì)充電和穩(wěn)壓電路，該模塊的能量輸出可達(dá)到59200J,具有穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。通過matlab軟件計(jì)算本文充電電路的電流與效率之間關(guān)系，并確定最佳的充電電流范圍。隨著超級(jí)電容耐壓的提升、容量的擴(kuò)大和價(jià)格的降低，相應(yīng)的小功率儲(chǔ)能模塊具有很好的應(yīng)用前景。