麗水學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐空間、江蘇國(guó)網(wǎng)自控科技股份有限公司的研究人員王野、姜萬(wàn)東、葉佳虹、任洪錚、遲玉國(guó)，在2017年第5期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型超級(jí)電容模組充電電源及其控制方法。

其功能：1)針對(duì)目前各種超級(jí)電容模組對(duì)充電電壓，充電電流的不同需求問(wèn)題，采用先恒流后恒壓的方式對(duì)超級(jí)電容模組進(jìn)行充電，且充電電流和充電電壓可調(diào)節(jié);2)該充電電源及其控制方法可以提供對(duì)超級(jí)電容的熱保護(hù)，在充電過(guò)程中通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)超級(jí)電容模組的絕對(duì)溫度和溫升情況，如果超級(jí)電容模組的絕對(duì)溫度過(guò)高或溫升過(guò)高，則會(huì)自動(dòng)關(guān)斷充電過(guò)程。

超級(jí)電容器(Supercapacitors,ultracapacitor)，不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次 [1]。

文獻(xiàn)[2-3]根據(jù)蓄電池的正負(fù)脈沖、充電電壓波動(dòng)等特點(diǎn)，提出一種饋能式正負(fù)脈沖快速充電方法。文獻(xiàn)[4]提出利用一種基于電動(dòng)汽車(chē)與能源互聯(lián)網(wǎng)的電容模組充電設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[5-7]指出利用化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容單體的制備與性能優(yōu)化，可以提高電容的充電效率。文獻(xiàn)[8-10]介紹了超級(jí)電容模組的容量配置、能量管理以及壽命等影響因素，得出的結(jié)論對(duì)電容模組充電電源的設(shè)計(jì)有重要的意義。

超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理不同于蓄電池，其充放電過(guò)程的容量狀態(tài)有其自身的特點(diǎn)。超級(jí)電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。本設(shè)計(jì)方案主要分析恒流充電條件下的超級(jí)電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制最高電壓Umax，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級(jí)電容器充滿(mǎn)。

采用這種充電方法的優(yōu)點(diǎn)是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時(shí)間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿(mǎn)，又可避免超級(jí)電容器內(nèi)部高溫而影響超級(jí)電容器的容量特性。

本文采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、MCU和電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型超級(jí)電容模組充電電源，包括可調(diào)節(jié)恒流充電和恒壓充電電路設(shè)計(jì)、恒流與恒壓轉(zhuǎn)換控制電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)與選型及功率MOSFET選擇等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)可有效解決充電電壓不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題，同時(shí)采用充電電流可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，可使電源適應(yīng)不同廠家，不同容量的超級(jí)電容模組。

1 超級(jí)電容模組充電電源硬件電路的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容模組充電電源框架圖如圖1所示，其主要分為6個(gè)部分組成。分別為：1)EMC處理電路;2)充電調(diào)節(jié)電路;3)充電控制電路;4)溫度采集電路;5)供電電源;6)狀態(tài)指示電路。

圖1 超級(jí)電容模組充電電源內(nèi)部/外部原理圖

1)EMC處理電路

該電路主要作用是對(duì)充電電源對(duì)共模干擾和差模干擾的進(jìn)行抑制。對(duì)于共模干擾，使用了CY電容和共摸電感L進(jìn)行抑制。對(duì)于差模干擾，采用了CX電容進(jìn)行抑制。

2)充電調(diào)節(jié)電路

調(diào)節(jié)電路主要是對(duì)充電電流調(diào)節(jié)和充電電壓進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整電路采用可調(diào)電位器進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的分壓分為ADC_I和ADC_U，兩個(gè)電壓進(jìn)入到微控制器中的內(nèi)部ADC中。程序?qū)蓚€(gè)分壓電壓進(jìn)行采樣得到相對(duì)應(yīng)的充電電流設(shè)定值和充電電壓設(shè)定值。

3)充電控制電路

控制部分主要由MOSFET電力管Q和高頻變頻器T以及相對(duì)應(yīng)的方波發(fā)生器及電壓比較器等構(gòu)成。電阻R1，R2對(duì)直流輸出電壓進(jìn)行采樣與微控制器PWM1輸出的電壓設(shè)置信號(hào)進(jìn)行比較，如果直流輸出電壓超過(guò)電壓設(shè)定值，則關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電。

電阻RS對(duì)充電電流進(jìn)行采樣，采樣后的電壓與微控制器輸出的PWM2輸出電流設(shè)置信號(hào)進(jìn)行比較，如果充電電流超過(guò)設(shè)定值，則關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電。同時(shí)，微處理器采集到超級(jí)電容溫度和充電電路溫度兩個(gè)中的任意一個(gè)溫度超限，則微控制器輸出T_ctl信號(hào)，關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)了溫度保護(hù)。

4)溫度采集部分

主要有三個(gè)溫度傳感器t1，th，tc。t1主要采集充電回路主要發(fā)熱的高頻變壓器，th采集環(huán)境溫度，tc為外置的溫度傳感器采集超級(jí)電容模組的溫度。三個(gè)溫度傳感器采用SPI數(shù)據(jù)接口，由微處理器直接進(jìn)行讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度越限后，微處理器輸出T_ctl信號(hào)，關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)了溫度保護(hù)。

5)供電電源部分

主要有AC/DC模塊和LDO線(xiàn)性電源構(gòu)成。AC/DC采用寬輸入電源模塊，應(yīng)具有裸機(jī)抗EMC能力強(qiáng)等特點(diǎn)。AC/DC輸出電壓由于具有一定的紋波，無(wú)法直接供給微處理器直接使用，因此采用了線(xiàn)性電源進(jìn)行降壓，并降低電源的紋波。

6)狀態(tài)指示部分

主要由4個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，分別指示電源微處理器運(yùn)行狀態(tài)，超級(jí)電容充電狀態(tài)，電源過(guò)熱或外部超級(jí)電容過(guò)熱，電源充電時(shí)過(guò)載等信息。

2 超級(jí)電容模組充電電源軟件功能實(shí)現(xiàn)

圖2 軟件功能實(shí)現(xiàn)主邏輯框圖

本設(shè)計(jì)的軟件功能的實(shí)現(xiàn)如圖2所示，分為四大部分：1)數(shù)據(jù)讀取與參數(shù)設(shè)定轉(zhuǎn)換邏輯;2)超級(jí)電容溫度與溫升-電流控制邏輯;3)電容充電控制與過(guò)載保護(hù);4)狀態(tài)指示控制邏輯。

圖3 溫度與溫升-電流控制輯框圖

為完成充電時(shí)對(duì)超級(jí)電容的保護(hù)，如圖3所示，本設(shè)計(jì)通過(guò)讀取到的超級(jí)電容溫度Tc和環(huán)境溫度Th計(jì)算出超級(jí)電容的溫升Tws，如果超級(jí)電容溫升Tws已經(jīng)超過(guò)了超級(jí)電容極限工作溫升Tmaxw，則停止對(duì)超級(jí)電容充電，直接設(shè)置TempHFlag為1。如果超級(jí)電容的絕對(duì)溫度Tc超過(guò)了超級(jí)電容最大工作溫度，則也停止對(duì)超級(jí)電容充電，設(shè)置TempHFlag為1。

如果溫升Tws和絕對(duì)溫度Tc都在安全范圍內(nèi)，通過(guò)Tws讀取到內(nèi)置到MCU的超級(jí)電容溫升-電流曲線(xiàn)，讀取出對(duì)應(yīng)的可充電電流Itws。如果設(shè)置的充電限制電流Icset大于溫升-電流值Itws，則將Icset設(shè)置為Itws進(jìn)行充電，防止了充電電流過(guò)大導(dǎo)致超級(jí)電容壽命損傷。

圖4 電容充電與過(guò)載保護(hù)輯框圖

如圖4所示，本設(shè)計(jì)首先判斷TEMPFlag是否為1，當(dāng)TEMPFlag為1表明溫度傳感器的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢。其次判斷TempHFlag是否為1，如果TempHFlag為1表明超級(jí)電容的絕對(duì)溫度或者溫升都已經(jīng)超過(guò)了超級(jí)電容的工作極限，此時(shí)不能對(duì)其進(jìn)行充電。

然后判斷充電控制電路是否過(guò)載，其過(guò)載的判斷主要是依據(jù)溫度傳感器t1測(cè)量的溫度Tk，如果Tk大于內(nèi)置的設(shè)定值Tkset，表明充電控制電路存在過(guò)熱，繼續(xù)充電將會(huì)導(dǎo)致充電回路損壞,此時(shí)將過(guò)載標(biāo)志OverFlag置1，表明充電控制回路過(guò)載，停止充電。

上述的幾個(gè)條件都沒(méi)有問(wèn)題后，邏輯再次判斷設(shè)置參數(shù)是否讀取，參數(shù)讀取標(biāo)志正常，則會(huì)依照Icset來(lái)控制PWM2輸出一個(gè)電壓來(lái)和充電回路的電流相比較，比較過(guò)程由圖1的(c)部分電壓比較器A2完成。

依照Ucset來(lái)控制PWM1輸出一個(gè)電壓來(lái)和充電回路的電壓相比較，比較過(guò)程由圖1的(c)部分電壓比較器A1完成.兩者設(shè)置完畢，則圖1的(c)部分自動(dòng)完成充電的限流限壓充電過(guò)程，同時(shí)將充電標(biāo)志ChargeFlag置1，表明此時(shí)正在對(duì)超級(jí)電容組充電。

禁止充電時(shí)通過(guò)控制T_ctl直接關(guān)斷圖1的(c)部分的與門(mén)控制信號(hào)，使開(kāi)關(guān)管Q停止工作，清充電標(biāo)志ChargeFlag為0。

3 超級(jí)電容模組充電電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

超級(jí)電容模組充電電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及與現(xiàn)有充電電源方案的比較，具體表1-2所示：

表1. 超級(jí)電容模組的充電電源技術(shù)目標(biāo)參數(shù)

4 超級(jí)電容模組充電電源的優(yōu)越性

超級(jí)電容模組充電電源設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，具體如下：

1)充電電壓和充電電流可調(diào)節(jié)，可適用于不同容量和電壓要求的超級(jí)電容組，可調(diào)節(jié)的充電電流適應(yīng)于對(duì)不同超級(jí)電容組充電時(shí)間不同需求的場(chǎng)合。

2)充分考慮充電電路可能過(guò)載的情況，提供過(guò)熱自我保護(hù)，避免充電電流過(guò)大或頻繁充電導(dǎo)致充電回路過(guò)載損壞。

3)充電過(guò)程兼顧超級(jí)電容的溫度特性，采用超級(jí)電容溫升-電流曲線(xiàn)進(jìn)行限制充電，同時(shí)監(jiān)視超級(jí)電容溫升過(guò)高和絕對(duì)溫度過(guò)高并停止充電，避免繼續(xù)充電導(dǎo)致溫度極限升高造成超級(jí)電容壽命快速減小或發(fā)生爆炸。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)恒流充電和恒壓充電電路、實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能及實(shí)現(xiàn)電容模組的系統(tǒng)保護(hù)功能，解決了目前市場(chǎng)上的超級(jí)電容模組充電電源一般充電電壓設(shè)計(jì)為固定方式，不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

同時(shí)，由于不同的超級(jí)電容模組的容量不同，廠家技術(shù)參數(shù)不同，對(duì)充電電流的耐受值也不同。因此，本設(shè)計(jì)采用充電電流可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，可使電源適應(yīng)不同廠家，不同容量的超級(jí)電容模組。

針對(duì)目前現(xiàn)有超級(jí)電容充電電源無(wú)法對(duì)充電時(shí)對(duì)超級(jí)電容的發(fā)熱進(jìn)行及時(shí)?的保護(hù)，造成充電時(shí)由于環(huán)境溫度過(guò)高，或者充電電流過(guò)大而造成電容器溫度過(guò)高，引起超級(jí)電容損壞等問(wèn)題，本設(shè)計(jì)支持對(duì)超級(jí)電容模組進(jìn)行溫度采集，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。

該新型超級(jí)電容模組充電電源控制系統(tǒng)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利201611061202.2和201611060872.2。

原標(biāo)題:一種新型超級(jí)電容模組充電電源設(shè)計(jì)