混合電容器的恒壓（CV）脈沖充電

總述
可充電儲(chǔ)能電容器由于其靈活性、低維護(hù)要求和總成本較低而受到市場矚目。

對(duì)于緊湊型應(yīng)用，傳統(tǒng)電解電容器是有益于環(huán)保的可選方案，并提供寬額定電壓范圍。但在輸出要求超過幾百毫瓦的情況下，它們會(huì)很快達(dá)到儲(chǔ)能極限。

雙電層電容器（EDLC）提供高功率、高能量密度和長工作壽命，但與電池一樣，其工作電壓較低。電子系統(tǒng)要求在這些技術(shù)之間達(dá)成平衡，亦即既具有傳統(tǒng)電池與雙層電容器的優(yōu)點(diǎn)，又沒有其缺陷?；旌鲜紼NYCAP™ 196 HVC電容器能夠提供這一性能。為充分發(fā)揮產(chǎn)品性能，必須使用可靠的充電解決方案。本文指出恒壓（CV）脈沖充電是最經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

混合電容器技術(shù)與性質(zhì)
混合系統(tǒng)結(jié)合了靜電儲(chǔ)能和感應(yīng)儲(chǔ)能方法，因此有可能實(shí)現(xiàn)更快于電池的充電速度。混合電容器系統(tǒng)的功率密度可輕易超過電池，且能量密度顯著高于雙層電容器。

由于使用感應(yīng)儲(chǔ)能方法，所以混合電容器的工作電壓范圍較窄，與電池相似。雖然這種電壓穩(wěn)定性在許多應(yīng)用中是有益的，但必須注意電容器電壓和電流管理，以便在長工作壽命內(nèi)保持最佳性能。

絕不能超過最大電芯電壓。因此，為了獲得最長使用壽命，電源管理必須確保工作電壓絕對(duì)精確地處于規(guī)定的毫伏范圍之內(nèi)。

另外還要考慮流過混合電容器的電流與感應(yīng)轉(zhuǎn)換過程具有部分相關(guān)性。由于這些過程需要一定時(shí)間，所以在充電和放電時(shí)必須使最大允許電流保持一段時(shí)間。

混合電容器的自放電顯著低于雙電層電容器。例如，ENYCAP 196 HVC的自放電水平低于5%/天。

由于感應(yīng)儲(chǔ)能過程總包括一些物質(zhì)轉(zhuǎn)換，所以顯然必須避免過度充電。即便 ENYCAP 196 HVC在此方面具有短時(shí)耐受力，但必須考慮在長時(shí)段內(nèi)，如果沒有合適的控制措施，即使低充電電流也會(huì)使電容器過度充電。

混合電容器的循環(huán)壽命性能優(yōu)于電池。例如，ENYCAP 196 HVC能夠?qū)崿F(xiàn)5萬次以上循環(huán)。

關(guān)于恒壓脈沖充電的總述

對(duì)于要求儲(chǔ)能器件持續(xù)處于高荷電態(tài)的應(yīng)用，例如后備系統(tǒng)，建議使用恒壓脈沖充電法（PCM）。脈沖充電法可在相當(dāng)簡單的電源管理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并確?；旌蟽?chǔ)能元件在建議限值與條件范圍內(nèi)安全工作。

脈沖充電是補(bǔ)償自放電并避免經(jīng)?；虺志眠^充的首選方法，能大幅改善儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

脈沖充電（或稱間歇充電）可利用由定時(shí)器控制的恒壓源來實(shí)現(xiàn)。電壓源需要進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，以適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電壓。

典型的工作程序包含五個(gè)步驟（見圖4）：

1. 初次充電步驟確保有充足的電能供下一次后備操作（荷載）使用
2. 通過檢測儲(chǔ)能元件的開路電壓（OCV）檢查可用電能
3. 監(jiān)測健康狀態(tài)（SOH）
4. 施加充電脈沖，以補(bǔ)償自放電和后備荷載
5. 從第2步重新開始

注： 第2-5步補(bǔ)償自放電效應(yīng)并通過這種涓流充電使儲(chǔ)能元件保持健康狀態(tài)，同時(shí)還維持更長的時(shí)間。

標(biāo)稱電壓
ENYCAP 196 HVC儲(chǔ)能電容器由一個(gè)或更多獨(dú)立電芯組成，各個(gè)電芯的額定電壓UR為1.4 V。

因此，每個(gè)混合儲(chǔ)能電容器為X個(gè)電芯以串聯(lián)方式配置，額定電壓UR為X * 1.4 V。

恒壓充電

恒壓脈沖充電
恒壓充電是指通過在儲(chǔ)能器件的端子上施加恒定電壓UCVcharge進(jìn)行充電的方法。對(duì)于恒壓脈沖充電法，充電時(shí)間另外還受開關(guān)SW1的限制，而SW1由適當(dāng)?shù)乃惴刂啤?/p>

對(duì)于所考慮的系統(tǒng)與電壓，由此產(chǎn)生的充電電流Icharge取決于儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)（SOC）。荷電狀態(tài)越低，充電電流Icharge一般越高。

依據(jù)歐姆定律可判定：
1. 荷電狀態(tài)越低，充電電流Icharge越高
2. 施加的電壓UCVcharge越高，充電電流Icharge越高

根據(jù)第1點(diǎn)，充電電流會(huì)隨著荷電狀態(tài)升高而減小。這是一種負(fù)面效應(yīng)，因?yàn)槌潆姇r(shí)間會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鳒p小而延長。根據(jù)第2點(diǎn)，UCVcharge增加時(shí)Icharge也會(huì)增加，并因此縮短充電時(shí)間。

但只要施加了源電壓，UCVcharge升高就會(huì)導(dǎo)致高殘余充電電流。所以必須確保系統(tǒng)在滿充后不會(huì)過度充電。

約束條件
所有類型的儲(chǔ)能元件都要求下列參數(shù)保持在規(guī)格范圍之內(nèi)：
• 最大和最小充電電壓
• 最大充電電流
• 荷電狀態(tài)：必須限制充電量Q = ∫ Icharge * dt，以免過充
• 溫度

充電電流

Q = ∫ Icharge * dt應(yīng)當(dāng)加以限制，以避免過充（> 100 %荷電狀態(tài)）。這樣即可實(shí)現(xiàn)由定時(shí)器控制的間歇或脈沖充電法。

該過程還會(huì)限制極低殘余充電電流在長時(shí)間內(nèi)的負(fù)面影響，并確保產(chǎn)品具有最長的使用壽命。

待充電量可由充電源的“ON時(shí)間”控制。需要按照產(chǎn)品規(guī)范選擇需要的電量Q = ∫ Icharge * dt。

最大充電電流通常由儲(chǔ)能元件的類型和尺寸而定。

ENYCAP適用以下參數(shù)：

針對(duì)UCVcharge增加的安全區(qū)已得到考慮，并且列于“充電電壓”部分的表2。

充電電壓（帶溫度補(bǔ)償）
正確的充電電壓依賴溫度條件（見圖1）。

溫度影響充電電壓的原因有二：

1. 電化學(xué)反應(yīng)依賴溫度條件
2. 電芯的內(nèi)阻會(huì)隨溫度變化而變化

這兩個(gè)效應(yīng)導(dǎo)致每個(gè)電芯具有-1 mV / 1 °C的線性電壓相依性。

圖1 – 充電電壓是溫度的函數(shù)

表2顯示了20 °C時(shí)標(biāo)準(zhǔn)配置的正確充電電壓。

充電電壓的溫度補(bǔ)償是一個(gè)優(yōu)勢，可確保在寬溫度范圍內(nèi)的全功能工作，但不是每個(gè)應(yīng)用都必須這樣做（見下節(jié)內(nèi)容）。

充電電壓（無溫度補(bǔ)償）

ENYCAP 196 HVC混合儲(chǔ)能電容器沒有溫度補(bǔ)償也能充電。這些情況下應(yīng)考慮一些約束條件，以便在必須支持極寬溫度范圍時(shí)延長使用壽命。

如果充電電壓完全不可調(diào)節(jié)，則應(yīng)設(shè)置充電的上限電壓及溫度限值；通?？稍O(shè)置為每電芯1.4 V和60 °C（圖2）。

在較低溫度時(shí)使用該固定電壓進(jìn)行充電不會(huì)損害電芯。但在較低溫度時(shí)，充電效率降低且混合電容器無法滿充。

圖2顯示了在僅能提供每電芯1.4 V充電電壓情況下的局限。

圖2 – 每電芯1.40 V充電電壓與溫度的關(guān)系

如能提供兩種或三種充電電壓，則有可能在整個(gè)溫度范圍上實(shí)現(xiàn)逐步逼近（見圖3）。

圖3 – 三種電壓情況下的逐步逼近

脈沖充電法
流程圖

圖4 – 使用脈沖充電法的后備系統(tǒng)的工作流程圖

開路電壓檢查

必須定時(shí)測量開路電壓（OCV）。如果每個(gè)電芯的開路電壓低于1.29 V，則必須施加初次充電循環(huán)（見圖1）。

每秒測量一次已經(jīng)足夠。根據(jù)電路情況，增加測量次數(shù)會(huì)造成額外的漏電流，應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。

正常工作/維護(hù)充電

短時(shí)充電脈沖（通常每隔約6-12小時(shí)持續(xù)1-3分鐘）會(huì)使混合電容器充電并補(bǔ)償自放電（典型性質(zhì)見圖5，示例見圖6）。

控制維護(hù)充電及充電量的最簡單方法是使用定時(shí)器。每個(gè)充電脈沖過后，OVC將在“源OFF”階段期間“休息”（relax）。

這種脈沖充電（或稱間歇充電）模式是可能的，因?yàn)镋NYCAP 196 HVC混合電容器的電荷保持力（低自放電率）優(yōu)于傳統(tǒng)雙電層電容器。

圖5 – 典型的維護(hù)充電 – 充電脈沖使荷電狀態(tài)處于定義的高水平。OVC 休息取決于荷載情況和自放電。對(duì)于典型的后備應(yīng)用，荷電狀態(tài)必須高到足以滿足電能需求。

關(guān)于總工作時(shí)間，非常短的充電周期可增加充電效率和最小化總過充電量。間歇或脈沖充電使用這些優(yōu)勢來最大化儲(chǔ)能元件的壽命。70%以上的荷電狀態(tài)足以滿足應(yīng)用的額定及規(guī)定電能需求。

對(duì)于一個(gè)電芯，這個(gè)值是115 J / HVC 90 F、17.5 J / HVC 15 F和4.1 J / HVC 4 F。
該可用電量能夠維持最高壽命、循環(huán)穩(wěn)定性及快速充電能力。

圖6中的例子是196 HVC 90 F 4.2 V，在維護(hù)充電模式下工作25天（45°C）。維護(hù)充電脈沖使混合儲(chǔ)能元件充滿電并補(bǔ)償自放電。

圖6 – 196 HVC 90 F每12個(gè)小時(shí)進(jìn)行維護(hù)充電1分鐘（45 °C）

圖6a – 6小時(shí)后的首個(gè)維護(hù)充電脈沖（1分鐘）（90 F 4.2 V系統(tǒng)示例）

每天充電5%已經(jīng)足夠且不會(huì)使混合電容器因過充而加速老化。必須考慮可能產(chǎn)生的額外漏電流。建議在電芯電壓降至低于1.29 V時(shí)進(jìn)行充電，以便使荷電狀態(tài)快速回到目標(biāo)水平。這可通過施加一個(gè)額外的“初次充電”循環(huán)而實(shí)現(xiàn)（見“初次充電”章節(jié)）。這種由電壓觸發(fā)的充電是一個(gè)安全特性，可確保足夠高的荷電狀態(tài)。

1.29 V的電壓值與溫度無關(guān)。開路電壓值低于1.29 V的狀態(tài)的一個(gè)例子是在意外高溫時(shí)的自放電增加。

初次充電
當(dāng)充電量超過標(biāo)稱電量的5%時(shí)就需要初次充電。圖4流程圖中的5-15分鐘“ON時(shí)間”是恒壓充電的典型時(shí)間范圍，具體取決于應(yīng)用的電能需求。

初次充電可使混合電容器足以滿足下次使用的要求。如果所需電能顯著少于規(guī)定的每電芯115 J（例如90 F電芯），則可減少“ON時(shí)間”。

在后備使用之后或在系統(tǒng)停電幾天或幾星期之后很可能需要初次充電。

圖7 – 典型的加電和正常工作周期。需要進(jìn)行初次充電來建立正常工作所需的目標(biāo)荷電狀態(tài)水平。

另外，在儲(chǔ)存后的系統(tǒng)首次加電時(shí)也建議完成一個(gè)初次充電循環(huán)。在此情況下，首次充電步驟亦稱“條件”充電。在長期儲(chǔ)存之后，混合儲(chǔ)能元件可能處于未定義的荷電狀態(tài)。所以第一步先充電很重要。

圖8中例子顯示了HVC 90 F 4.2 V系統(tǒng)在快速充電模式下的初次充電。5分鐘即可為下一次后備使用充入足夠多的電量，無需過充。由于其具有良好的電荷保持力，有可能幾小時(shí)后才需要利用短時(shí)維護(hù)充電脈沖進(jìn)行再次充電。

典型情況為15分鐘的“ON時(shí)間”。“ON時(shí)間”必須足夠長，以便ENYCAP 196 HVC儲(chǔ)能系統(tǒng)有足夠的電能完成接下來的工作周期（例如后備應(yīng)用）。

圖8 – 初次充電的前15分鐘（90 F 4.2 V系統(tǒng)示例）

總結(jié)
建議使用簡單的定時(shí)器控制恒壓方法進(jìn)行間歇式充電，以保證ENYCAP 196 HVC混合電容器的最佳性能和長使用壽命。

目標(biāo)是維持高荷電狀態(tài)，以便滿足后備應(yīng)用的需要，同時(shí)最小化不必要的過充。
在后備應(yīng)用之后，由于創(chuàng)新的混合式化學(xué)電芯，可快速對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電。

如果需要更多電能來提供可靠的后備支持，ENYCAP 196 HVC電容器是理想的解決方案。