基于超级电容的直流不间断电源设计

闻 超，邱瑞昌，赵晓红，韩啸一（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

在各种UPS中一般采用可充电蓄电池作为后备电源。UPS往往是在电网断电或电网电压瞬时跌落最初的几秒、几分钟起决定作用，蓄电池在这段时间内提供电能。由于蓄电池存在使用寿命短、需要定期维护、对环境温度敏感等缺点，UPS在运行中需要时刻注意蓄电池的状态，不能大电流充放电，不能带感性负载（如电动机）等。可以说蓄电池自身的缺点是限制UPS应用领域和使用寿命的主要原因。

超级电容器是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容器的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。容量可达数千法拉，与可充电蓄电池相比，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，应用领域十分广阔。

本文设计了一种基于超级电容的直流UPS，功率为100 W，主要由整流器、滤波器、超级电容器组、充放电电路等组成，其结构框图如图1所示。

1 超级电容器的特性

超级电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层[1]。这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，储能过程是可逆的。超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，与蓄电池相比其巨大的优越性表现为：（1）比功率高，可达300～5 000W/kg，相当于蓄电池的5～10倍。（2）充放电循环寿命长，可大电流充放电。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。而目前常用的密封式铅酸蓄电池的循环寿命只有几百次，使用寿命大约为3～5年。（3）充电时间短。超级电容完全充电只需数分钟甚至几十秒钟；而蓄电池则需要数小时才能完成充电。（4）免维护。超级电容的维护工作极少，可实现真正的免维护，而蓄电池所谓的“免维护”仅指使用期间无需加水，在实际工作中仍必须进行定期维护。（5）对工作环境温度不敏感。超级电容器正常工作时的温度范围为-40～65℃，而蓄电池则对温度的要求较高，标准使用温度为25℃，一般不能超过15～30℃的范围。（6）检测方便。超级电容的容量与其端电压有着严格的对应关系。而蓄电池的容量检测，不论是离线式还是在线式，都需要进行繁琐的工作。

2 超级电容器组容量的计算

超级电容器的等效模型[2]如图2(a)所示，其中C为理想电容器，ESR(equivalentseries resistance)为等效串联内阻，EPR(e-quivalentparallel resistance)为等效并联内阻。ESR的存在影响超级电容的充放电效率，降低超级电容的有效储能。EPR代表超级电容器的漏电流，影响电容的长期储能性能，通常可以达到几十千欧，所以在实际工作中可以忽略。故将模型简化为C与ESR的串联形式，如图2(b)所示。

图2 超级电容等效模型

超级电容的单体额定电压一般小于3 V，典型值取2.7 V，电压较低，因而通常由多个超级电容通过串并联组成超级电容模块，以满足电压等级和能量的需要。由于超级电容放电不完全，存在最低工作电压Umin，所以单体超级电容的最大输出能量为：

式中：Umax为超级电容充电完成后的电压值，假设超级电容m个串联，n个支路并联，则超级电容组输出的最大能量为：

3 超级电容串联均压措施

由于超级电容内部参数的不一致性，在充放电过程中导致超级电容器的工作电压不平衡，严重影响了系统的安全性、使用寿命和稳定性，所以在串联使用中需要对其进行均压。目前常用的串联均压措施有两大类：

（1）通过阻性器件消耗能量的方法，如并联电阻法、稳压管法[3]、开关电阻法[4]等。能量消耗型均压电路将端电压较高的电容器能量以发热的形式消耗在电阻或稳压管上，以达到均压目的，该方法发热严重，能耗较大。由于成本的优势，能量消耗型均压方法被应用较多，适用于充放电功率较小的场合。

（2）通过储能器件进行能量转移的方法，如飞渡电容法[5]、平均值电感储能电压均衡法[6]、DC/DC[7-8]变换器法等。能量转移型均压电路通过储能元件将能量从端电压较高的超级电容器单元转移至端电压较低的超级电容器单元，以实现均压。该方法均压速度快、在电压均衡过程中只消耗少量的能量。其缺点是需要的电感、开关管等功率器件多，控制复杂，成本高，适用于充放电功率高的场合。

超级电容的串联均压设计应综合成本、功率、控制等各方面的因素，合理的选择均压措施。本文设计的UPS功率较小，所以采用开关电阻法进行串联均压，如图3所示，当电容两端的电压超过预设参考值UREF时，比较器触发开关S闭合，电流流过旁路电阻R和开关S，减缓或阻止了电容电压的继续上升。根据电容容量的分散性和充电电流的大小，可确定一个最优的UREF和R的值，使电容的储存能量和效率达到极大值。

图3 超级电容均压电路

4 超级电容器组储能系统的设计

4.1 充电电路

对超级电容器组的充电采用先恒流后恒压的充电策略，即在未达到额定电压值前采用恒流充电，达到额定电压值后改为恒压浮充，防止单体超级电容过充而造成损坏，并补偿由于EPR引起的能量损耗。考虑到本设计的UPS功率较小，充电电路拓扑采用正激变换器。针对以上要求，充电电路采用电流型PWM控制芯片TL3844构成电压、电流双闭环反馈进行控制，如图4所示。

图4 充电控制电路图

其中，SC+为超级电容器组的正极，SC-为超级电容器组的负极，Is为充电电路的变压器初级绕组电流。采用TL431和PC817构成稳压反馈，将TL3844的2脚接地，PC817A的三极管集电极直接接在1脚，跳过芯片内部的误差放大器，减少了传输时间，使电源的动态响应更快。电阻R6将充电电路的变压器初级绕组电流Is取样后，经C5滤波后送入3引脚形成电流闭环反馈。

4.2 放电电路

当市电断电或低于设定值时，要求UPS对负载恒压放电，即超级电容器组对负载恒压放电。虽然超级电容器的比功率大，但是能量密度较低，当放电电流较大时，能量损失较快，超级电容器两端电压下降较快，因此要改变占空比来提高升压比，以维持输出电压恒定。控制芯片采用TL3842，由于采用峰值电流控制方式，当其输出的PWM占空比大于50%时，系统不能稳定工作，主要表现为扰动信号产生的误差被逐渐放大以及轻载和空载时电源失控，必须加入斜坡补偿电路，如图5所示。

图5 放电控制电路图

其中Us和Is分别为反馈电压和反馈电流。斜坡补偿采用的方法是在电流反馈电压处加入斜坡补偿电压，其中耦合电容C10隔离了震荡器中的直流分量，仅将交流分量耦合到TL3842的电流检测的3引脚。

5 实验及测试结果

基于上述分析和设计，在实验室制作了一台功率为100 W的样机，样机的主要参数：交流输入电压范围AC 176～264 V，直流输入范围（超级电容器组端电压）为DC 6～15 V，市电低于AC 176 V或断电时输出电压为DC(250±10)V，掉电工作时间为4m in。需要超级电容提供的能量为24 kJ。选用650 F/2.7 V的超级电容，充满电后超级电容器组的端电压限制为15 V，即单体超级电容端电压为2.5 V；放电结束后端电压限制在6 V，即单体超级电容端电压为1 V。经计算可得，需要6个超级电容串联，2个这样的支路并联组成超级电容器组储能模块。

图6为超级电容器组充电时其两端电压的波形，图7为超级电容器组放电时的端电压波形。超级电容器组端电压充电时最高电压为15 V，放电时端电压最低为6 V，整个充电过程仅需3min左右，充电速度快。

图6 超级电容器组充电时端电压波形

图7 超级电容器组放电时端电压波形

图8 输出电压波形

图8为市电断电或低于176 V时，由超级电容器组供电时的输出电压波形。从图中可看出，输出稳压精度高，电压纹波很小。

6 结论

本文提出的基于超级电容的直流不间断电源，具有电路结构简洁、系统成本低、控制方法简单等优点。超级电容器可根据储能系统的电压、输出功率和能量的要求，进行相应的串并联组合，易于扩展，在短时放电的场合可取代传统UPS中的蓄电池，实现真正的免维护，应用前景十分广阔。

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