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超級電容組充電解決大電容充電方案

作者: 時間:2014-10-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  (Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor)亦稱(electric double-layer capacitor),目前越來越廣泛地用于各種電源管理系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用(如具有再生制動功能的起停系統(tǒng))中,能夠提供使起動器嚙合所需的能量,以重啟燃燒發(fā)動機(jī),并接收在制動期間回收的動能。的優(yōu)勢在于其充放電次數(shù)顯著多于傳統(tǒng)鉛酸電池,同時能夠更迅速地吸收能量而不減少其預(yù)期壽命。這些特點(diǎn)還使超級電容對工業(yè)后備電源系統(tǒng)、快速充電無繩電動工具和遠(yuǎn)程傳感器具有吸引力,因?yàn)閷@些應(yīng)用來說,頻繁更換電池是不切實(shí)際的。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/263550.htm

  本文討論了有關(guān)為這些大電容充電的挑戰(zhàn),并向電源系統(tǒng)設(shè)計工程師介紹了如何評估和選擇適合后備能量存儲應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級電容充電器解決方案范例,并提供了波形和詳細(xì)解釋。

  系統(tǒng)詳述

  許多系統(tǒng)配置都使用超級電容組作為后備能量存儲組件。一開始,設(shè)計工程師需要確定其能量存儲配置目標(biāo),然后決定可用多大來存儲能量。解決方案選擇取決于負(fù)載的功率和要求,以及超級電容的能量和能力。在確定了最佳解決方案后,還必須對整體性能與成本進(jìn)行平衡。

  圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖,其中的負(fù)載是需要穩(wěn)定輸入電壓(3.3V、5V、12V等)的器件。48V主電源為正常工作的開關(guān)穩(wěn)壓器2(SW2)供電,同時通過開關(guān)穩(wěn)壓器1(SW1)為超級電容組充電,使其電壓達(dá)到25V。當(dāng)主電源斷開時,超級電容組向SW2供電,以維持負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行。

  

 

  圖1.一種使用超級電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖

  選定超級電容后,系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級電容充電的目標(biāo)電壓,其根據(jù)是超級電容的定額曲線。大多數(shù)超級電容單元的額定電壓范圍為室溫下2.5V-3.3V,此額定值在更高溫度時下降,隨之帶來更長的預(yù)期壽命。通常,充電目標(biāo)電壓設(shè)置值應(yīng)低于最大額定電壓,以延長超級電容的工作壽命。

  接下來需要選擇超級電容組的預(yù)期電壓和SW2拓?fù)?。超級電容組配置可為并聯(lián)、串聯(lián)或者并聯(lián)的串聯(lián)電容串組合。因?yàn)閱卧娙蓦妷侯~定值通常低于3.3V,且負(fù)載常常需要相等或更高的供電電壓,所以針對電容單元配置和SW2的選項(xiàng)是,使用一個電容單元與一個升壓轉(zhuǎn)換器,或串聯(lián)的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器。若使用升壓配置,我們必須確保在超級電容放電時,電壓不會下降至低于SW2的最小工作輸入電壓。該電壓下降可能多達(dá)超級電容充電電壓的一半之多,為此,我們舉一個由串聯(lián)超級電容組合和一個簡單降壓穩(wěn)壓器(SW1)組成的超級電容組的例子。然后,如果能量要求需要的話,將并聯(lián)多個串聯(lián)電容串。

  如果選擇超級電容的串聯(lián)組合,則必須根據(jù)電容串頂端的最大預(yù)期電壓來選擇所用電容單元的數(shù)目。更多的串聯(lián)電容意味著超級電容串的電容值更小而電壓更高。例如,假設(shè)選擇使用兩串由四個2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容(串聯(lián))組成的一個電容串。雖然兩種配置可存儲總電荷和能量是相同的,但電容串的可用電壓范圍使單個串聯(lián)串具有優(yōu)勢。例如,如果有一個需要5V偏壓的負(fù)載,則SW2需要的電壓為6V左右(考慮到其最大占空比和其他壓差因素)。

  ●電容中的能量W=CV2/2,可用能量W= C/2(Vcharge2 - Vdicharge2)

  ●對于每串4個電容的兩個電容串,可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)2-6V2)] = 201.6J

  ●對于包含8個電容(串聯(lián))的單個電容串,可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)2-6V2)] = 269.1J

  因?yàn)閮蓚€電容組可存儲相同的總能量,所以電壓較低的電容串的充電浪費(fèi)/不可用百分比更大。在本例中,優(yōu)先選擇更高的電容串電壓,以充分利用超級電容。

  第三個系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級電容組充電。一開始,當(dāng)超級電容電壓為0時,由于高電容值,SW1 需要在類似輸出短路的條件下工作相當(dāng)長時間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護(hù)超級電容和 SW1,在充電階段開始時需要附加的電流限制功能。一種令人滿意的解決方案是讓 SW1 在幾乎無輸出電壓的條件下提供加長時間的連續(xù)充電電流。

  為超級電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓(CICV)是常用的首選方法,如圖2(CIVE曲線)所示。在充電周期開始時,充電器件(SW1)在恒定電流模式下工作,向超級電容提供恒定電流,使得其電壓呈線性增加。在超級電容充電至目標(biāo)電壓時,恒定電壓回路激活并準(zhǔn)確地控制超級電容充電電平,使之保持恒定,以避免過度充電。同樣,該優(yōu)先解決方案也提出了對電源管理功能的要求,需要在設(shè)計中加以考慮。

  

 

  圖2.CICV超級電容充電控制

  再以圖1為例,在48V主電源、25V超級電容組電壓以及3.3V、5V、12V等負(fù)載電壓的情況下,為SW1和SW2選擇同步降壓功能是合適的。由于主要挑戰(zhàn)與超級電容充電有關(guān),所以針對SW1的選擇非常重要。針對SW1的理想解決方案對電源管理功能的要求是能夠在高輸入(48V)和輸出(25V)電壓下工作,同時提供CICV調(diào)制功能。

  超級電容充電器解決方案范例

  為說明超級電容充電行為,我們以同步降壓穩(wěn)壓器為例。說明其關(guān)鍵問題和解決技術(shù),并使用實(shí)驗(yàn)波形來幫助理解。

  

 

  圖3.實(shí)現(xiàn)CICV超級電容充電控制的同步降壓穩(wěn)壓器簡化原理圖

  圖3顯示了用Intersil的ISL78268控制的實(shí)現(xiàn)CICV模式的同步降壓穩(wěn)壓器的簡化原理圖。為了在CICV控制下將超級電容組充電到25V,在選擇控制器時考慮了以下功能:

  1.能在VIN>= 48V和VOUT>= 25V條件下工作的同步降壓控制器。

  2.恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)能力,可自動切換調(diào)節(jié)模式。

  3.在系統(tǒng)供電電壓范圍實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測輸入以實(shí)現(xiàn)CI模式。參考圖3,控制器可感測電感器的連續(xù)電流,即充電電流??刂破鞯碾娏鞲袦y放大器必須能夠承受共模電壓,在本例中為25V。

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