超級電容技術(shù)分析及應(yīng)用

　　圖5：鏟車在降下貨物時(shí)可以捕捉并存儲相應(yīng)的勢能，這些能量可用于將其他貨物抬升到較高的存貨區(qū)。該鏟車能量的時(shí)間關(guān)系圖表示氫燃料電池與超電容陣列分擔(dān)負(fù)載的情況。

　　短暫的放電時(shí)間對某些超電容應(yīng)用是有積極作用的。在歐洲的風(fēng)力農(nóng)場中，最新的風(fēng)電渦輪葉片直徑達(dá)到了160ft，輪軸距離地面250ft高。在風(fēng)力較大時(shí)，葉片轉(zhuǎn)速較快，以免渦輪發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn)。這需要為每個(gè)葉片設(shè)置大扭矩的調(diào)節(jié)電機(jī)以及相應(yīng)的電源。

　　盡管可以利用鉛蓄電池實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)，但是人們在設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪時(shí)采用了超電容。電池可能需要定期的維護(hù)，而超電容卻不需要。當(dāng)然，維護(hù)電池的工作需要雇用一些熟練的服務(wù)人員攀爬塔架。他們必須專注于繁重的維護(hù)工作，不斷在幾千座塔架上爬上爬下，才能對電池進(jìn)行有效的維護(hù)。

　　電路設(shè)計(jì)

　　超電容、電池、燃料電池和太陽能電池板的相互結(jié)合產(chǎn)生了很多新穎的設(shè)計(jì)方案。最近在達(dá)拉斯召開的功率電子技術(shù)大會上發(fā)表的論文中介紹了很多這類方案，代表了該技術(shù)的當(dāng)前最新發(fā)展水平。

　　在一篇名為“Storing Power with Super Capacitors”的論文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便攜式應(yīng)用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的無線數(shù)據(jù)卡，在數(shù)據(jù)信號的傳輸過程中需要峰值電流的支持，而這種峰值電流超出了PC卡、CF卡或USB標(biāo)準(zhǔn)的范疇。

　　DeLurio還發(fā)現(xiàn)在手機(jī)相機(jī)的LED閃光照明裝置上也存在類似的問題。他說，“設(shè)計(jì)者的面臨挑戰(zhàn)在于如何以一種最有效的方式將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器和超級電容互連起來，限制超級電容的充電電流，在負(fù)荷事件之間對電容不斷進(jìn)行重新充電。”

　　DeLurio認(rèn)為，超電容的問題在于它們的ESR(equivalent series resistance，等效串聯(lián)電阻)較低。當(dāng)最初電容放電之后，它對于充電電路而言就像是一個(gè)低值電阻。由此而產(chǎn)生的瞬間起峰大電流實(shí)際上造成了電池的短路。此外，他指出，“所有這種類型的電路都需要短路、過壓和電流保護(hù)機(jī)制。”

　　設(shè)計(jì)者可以采用電阻串聯(lián)的方式來限制電流，但是這種方案會導(dǎo)致電容的充電時(shí)間太長而無法接受。DeLurio介紹了一種PC卡應(yīng)用，其中為限制PC卡主機(jī)/卡通信電流而設(shè)置的電阻使得充電時(shí)間達(dá)到了7分鐘的量級。

　　在主機(jī)/卡通信之后采用更大的電流可以縮短充電時(shí)間。實(shí)際上，如果將這一原理進(jìn)一步擴(kuò)展，那么在電容充電的過程中可以采用某種方式在一連串電阻上進(jìn)行切換，從而達(dá)到控制電流的目的。

　　但是這種方法“要求必須對切換點(diǎn)的時(shí)機(jī)進(jìn)行精確的控制，這可能需要非常精準(zhǔn)和昂貴的電阻，或者采用額外的電壓檢測器進(jìn)行監(jiān)測，” DeLurio說，“而且，當(dāng)電容完全充電并將PC卡拔掉時(shí)，存儲在電容內(nèi)的能量足以損壞插腳。”

　　相反，DeLurio介紹了Analogic Tech推出的一種新型“智能開關(guān)”。AAT4620型限電流P溝道MOSFET電源開關(guān)是針對無線卡超電容應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的。它有兩套獨(dú)立的、電阻可編程的電流限制電路，以及受控于AAT4620核心溫度的功率環(huán)路。

　　Microchip公司的Keith Curtis發(fā)表的“Super-Capacitor Power Storage”一文首先指出，采用線性充電器對超電容進(jìn)行充電是無效的。他接著介紹了一種經(jīng)過改進(jìn)的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器(如圖6a所示)作為合適的充電電路，因?yàn)檫@種電路能夠“調(diào)節(jié)電容的充電電流，與輸出電壓無關(guān)……使用電壓反饋?zhàn)鳛榕袛喑潆娛欠裢瓿傻囊罁?jù)。”

　　圖6：為了在衛(wèi)星系統(tǒng)中同時(shí)集成電池、太陽能電池板和超電容，Microchip和AMSAT的設(shè)計(jì)人員采用了一種改進(jìn)的開關(guān)式降壓轉(zhuǎn)換器對超電容進(jìn)行充電(a)。通過升壓轉(zhuǎn)換器的放電將會使超電容正常的指數(shù)式放電曲線趨于平坦，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的方式(b)采用了很多相同的元件。

　　這種電路的效果與DeLurio之前介紹的類似，但是更具通用性。對于該電路的工作方式，“電流……通過比較電感器中的電流與兩個(gè)固定的電流值來進(jìn)行調(diào)節(jié);一個(gè)是預(yù)期的最大電流，另一個(gè)是最小電流，” Curtis說。

　　“最初，電感器只需很短的時(shí)間就能夠從最小電流上升到最大電流，因?yàn)殡姼衅魃系碾妷禾幱谧畲笾?。放電時(shí)間將會相應(yīng)延長，因?yàn)殡姼斜仨毞烹姷揭粋€(gè)相對較低的電壓值，”他指出，“但是，隨著電容內(nèi)電荷的增加，電壓差將會下降——增大上升時(shí)間——電容電壓將會升高，縮短放電時(shí)間。”

　　Curtis指出，開關(guān)頻率取決于“采用兩個(gè)比較器和一個(gè)SR觸發(fā)器的張弛振蕩器，555-timer-style系統(tǒng)”，因此，電感器的元件值決定該頻率的大小。

　　然后，Curtis采用類似的邏輯實(shí)現(xiàn)了一種開關(guān)式的升壓電路，用于將電容的輸出電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)合理的恒定負(fù)載電壓。最終，Curtis實(shí)現(xiàn)了一種降壓/升壓充-放電的組合電路，其中采用一個(gè)開關(guān)MOSFET取代了充電電路中的回掃二極管(如圖6b所示)，采用一個(gè)PIC微控制器實(shí)現(xiàn)控制功能以及大部分必需的外設(shè)功能。

　　Microchip與以業(yè)余無線電衛(wèi)星研發(fā)為目標(biāo)的非營利性私有機(jī)構(gòu)AMSAT-NA開展了項(xiàng)目合作。AMSAT的下一個(gè)大型項(xiàng)目——Eagle衛(wèi)星，計(jì)劃于2009年3月發(fā)射。為了確保Eagle能夠連續(xù)工作幾十年，其電源系統(tǒng)將在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，將太陽能電池板、鋰離子電池和超電容集成到一套電源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)每種元件的優(yōu)化使用。