一種新型恒功率超級(jí)電容器快速充電機(jī)設(shè)計(jì)

　　研究了超級(jí)電容快速充電方法，分析了恒功率快速充電的原理，并通過比較恒電流和恒功率兩種方法，證明了恒功率充電更有利于實(shí)現(xiàn)快速充電。根據(jù)恒功率充電原理，制作了快速充電樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明該樣機(jī)電路穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電要求，具有良好的實(shí)用前景。

　　傳統(tǒng)蓄電池電源系統(tǒng)的電池記憶效應(yīng)差、容量下降及充電時(shí)間過長(zhǎng)是長(zhǎng)久以來(lái)一直存在的問題，而這些問題可使用超級(jí)電容來(lái)解決。超級(jí)電容是一種極大程度上模擬了電容的電壓特性曲線且具有非常高的容值的新型能源器件，目前已有萬(wàn)法拉級(jí)的超級(jí)電容單體。超級(jí)電容無(wú)充放電記憶效應(yīng)，允許上百萬(wàn)次充放電而不會(huì)有任何容量上的損失。此外，超級(jí)電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），這一特性使得超級(jí)電容可以大電流充放電，其額度遠(yuǎn)超過當(dāng)前最好的電池。低ESR和幾乎沒有電流限制的特性使得超級(jí)電容對(duì)充電系統(tǒng)表現(xiàn)出“假短路”，這給系統(tǒng)集成帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，需要針對(duì)超級(jí)電容的特性尋找新的充電方式。與電池不同，超級(jí)電容可以同樣的額度充電和放電，對(duì)能量回收系統(tǒng)(如傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剎車)非常有用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分析

　　由于RC時(shí)間常數(shù)太大，線性穩(wěn)壓器對(duì)超級(jí)電容充電效率極低。由于超級(jí)電容具有較低的等效串聯(lián)電感，使得開關(guān)模式充電電路的運(yùn)行穩(wěn)定。由于超級(jí)電容可以承受大電流的特性，恒流充電或者恒功率充電是較好的充電方式。

　　1.1 超級(jí)電容充電模型

　　參考文獻(xiàn)[1]比較了不同應(yīng)用場(chǎng)合下的不同的超級(jí)電容模型。由于本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)超級(jí)電容充電機(jī)，因此需要采用超級(jí)電容的充電模型。它由阻性部分等效電阻ESR和容性部分電容C串聯(lián)而成，表征了超級(jí)電容的充放電特性。

　　超級(jí)電容的電壓時(shí)間特性曲線由容性和阻性兩部分組成。容性部分代表了超級(jí)電容能量改變導(dǎo)致的電壓改變；阻性部分代表了超級(jí)電容ESR導(dǎo)致的電壓改變。

　　容性部分由下列方程式?jīng)Q定：

　　所以充電或者放電時(shí)的總電壓改變量為：

　　超級(jí)電容最重要的參數(shù)是ESR和電容值的大小(可以從產(chǎn)品手冊(cè)上獲知)。式(1)為超級(jí)電容充電的理論模型[2]。

　　1.2 恒流充電與恒功率充電

　　超級(jí)電容特性決定了恒流充電和恒功率充電是兩種較好的充電方式。采用DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式。使用BUCK或者BOOST電路來(lái)對(duì)超級(jí)電容充電，在連續(xù)輸出電流時(shí)，BUCK電路是首選。但是對(duì)于充電時(shí)間敏感的充電機(jī)來(lái)說(shuō)，恒流充電并不是最優(yōu)選擇，恒功率充電在充電時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)。比如，對(duì)一個(gè)100 F、50 V的超級(jí)電容模組使用50 V、20 A的電源進(jìn)行充電，在恒流充電模式下，最大充電電流為20 A；而在恒功率充電模式下，充電功率可達(dá)1 000 W，其中最大充電電流限制為50 A。如圖1所示，恒流充電至50 V時(shí)所需時(shí)間為250 s，而恒功率充電至50 V所需時(shí)間約為145 s。這表明恒功率在充電時(shí)間上比恒流充電更具優(yōu)勢(shì)[3]。

　　1.3 恒功率充電實(shí)現(xiàn)原理

　　恒功率的基本原理是保持電壓和電流的乘積不變。本設(shè)計(jì)采用雙管正激變換器拓?fù)?，使用峰值電流控制的方法進(jìn)行恒功率設(shè)計(jì)。雙管正激電路是隔離型降壓電路，設(shè)輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，變壓器變比為1:n，占空比為D，則輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：

　　Vout=Vin×D×n

　　電路設(shè)計(jì)好后，Vin和變比n不變，可通過調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。如圖2所示曲線1對(duì)應(yīng)的充電電流大于曲線2對(duì)應(yīng)的充電電流。R、S對(duì)應(yīng)的波形是RS觸發(fā)器復(fù)位和置位端波形。根據(jù)峰值電流控制原理，每個(gè)開關(guān)周期之初，時(shí)鐘脈沖置位RS觸發(fā)器，使開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流逐漸增加，當(dāng)檢測(cè)到電流信號(hào)is大于指令電流ic時(shí)，電流比較器翻轉(zhuǎn)并復(fù)位RS觸發(fā)器，這時(shí)開關(guān)管被關(guān)掉，變壓器停止傳輸功率，扼流圈電流由續(xù)流二極管續(xù)流。通過峰值電流控制，當(dāng)電流增大時(shí)，PWM占空比減小，根據(jù)輸出電壓的計(jì)算式可知輸出電壓也減小，從而使得輸出電壓和輸出電流乘積(即輸出功率)保持不變，這就是恒功率充電的基本原理[4]。