超级电容充电方法研究

那凯鹏，刘国忠，杨宇飞

（山西科泰微技术有限公司 山 西 太 原 0 30006）

超级电容器是20世纪70年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有功率密度大，充电速度快，容量高，可逆性好，使用寿命长，易于维护等优点。作为一种储能元件，超级电容的充放电曲线更接近于电容器而不是电池，可以应用在传统电池不足之处和短时高峰值电流之中[1]，同时超级电容具有充放电次数多，存储周期长，无需定期维护的优点，是替代锂电池的最佳方案。虽然市场上具有一些专为给超级电容器充电而设计的IC产品，这些器件拥有输入或输出电流限制、自动电池平衡以及众多的保护功能，但该类产品仅仅能提供单个或两个串联电容的充电控制，无法对多个串联超级电容的充电，实际工程应用中，需要将多个超级电容串联，提供更高的工作电压与更多的能量。目前，常用的针对多个串联电容的充电方法主要有：

1)恒定电压充电法：在充电过程中，充电电压始终保持不变的方法叫做恒定电压充电法，其优点是可避免充电后期由于充电电流过大造成的极板活性物质脱落及电能的损失，其缺点是由于充电初期充电电流过大，容易使电容极板弯曲，造成电容报废。

2)恒定电流充电法：在充电过程中，充电电流始终保持不变的方法叫做恒定电流充电法，此方法使电容充电时间缩短。在允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电时间越短。但若在充电后期仍保持充电电流大小不变，将导致电解液析出气泡过多而呈现出沸腾状态，这不但浪费了电能，而且容易使电池温升过高，造成电容存储容量下降而提前报废[2]。

3)MCU采集控制方法：采用MCU实时检测超级电容组的端电压，分析和处理，得到相对应的PWM控制信号来控制主回路开关管的开通和关断，从而改变充电电流的大小。其优点是能够弥补1)和2)方法的缺点，缺点是需要MCU干预，电路复杂，成本高。

因此，设计能够弥补1)和2)方法缺点且无需MCU干预的充电电路，对于超级电容在实际工程中的应用具有指导意义。

1 需求分析和设计方案

1.1 需求分析

在实际项目开发中，产品工作分为两个阶段：第一阶段由系统电源提供28 V DC供电，工作至少180 s；第二阶段由产品自供电，工作至少90 s。系统电源的带载能力有限，要求产品电流不能超过1 A。

1.2 设计方案

自供电常用锂电池，但是锂电池厂商要求，贮存的锂电池电量保持为标称容量的30%到50%，并每6个月充电一次[3]，需要耗费较多的人力资源。如果采用超级电容在第一阶段进行充电，第二阶段为项目产品提供供电，能够满足设计要求。所以，需要设计具有充电、放电和改变充电策略等功能的超级电容充电装置。设计充分利用超级电容器的储能特性，采用灵活的组合充电方式。在低压时通过检测充电电流，调节充电电压，保持超级电容恒流充电，随着超级电容器端电压升高逐渐等于系统供电电压，充电速度减慢，充电电流逐渐降低。为了满足自供电要求，采用多节超级电容串联。根据以上技术要求，设计了超级电容充电装置，其技术参数如表1所示。

表1 超级电容充电装置主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of super capacitor charging device

2 超级电容充电装置电路设计

超级电容充电装置由充电供电电路，充电控制电路和超级电容组组成，负载电路负责验证该充电装置的性能。超级电容充电装置原理框图如图1所示。

图1 超级电容充电装置原理框图Fig．1 The principle diagram of super capacitor charging device

2.1 充电供电电路的选型

充电供电电路选用TI公司的TPS5430DDA。TPS5430DDA是降压(step－down)开关型集成稳压芯片，电压输入范围：5．5～36 V，可提供3A连续电流输出(峰值电流可达4 A)。输出通过100 mΩ的MOSFET开关，效率高达95%。它集成了固定频率振荡器(500 Hz)和基准稳压器(1．22 V)，通过调节VSEN脚至1．22 V控制宽范围输出，初始精度达到1．5%[4]。并具有完善的保护电路，包括过流保护及过热保护电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

2.2 充电控制电路的选型

充电控制电路选用AD公司的电流检测运算放大器AD8210YRZ。AD8210YRZ可提供高电压接口，并能够在分流电阻上进行双向电流监控，从而简化高端电流监控。它具有高共模抑制(CMR)特性和出色的温度性能，可在应用中实现最佳精度。该器件放大经分流电阻流至负载的电流，并提供以地为参考、与负载电流成比例的输出电压。初始化增益：20 V/V[5]。

2.3 超级电容组

2.3.1 超级电容组特点

设计中选用韩国VINA公司的超级电容器VEC 2R7 156 QG。

其主要特点有：

a)ESR：33 mΩ；

b)最大充放电电流：13．5 A；

c)端电压：2．7 V；

d)漏电流：0．053 mA；

e)容量：－10～+30%。

2.3.2 电容数量及连接方法

为了满足放电能力要求，在设计中采用10个超级电容器串联的方法。电容储存能量(J)=(CU2)/2，可输出能量(J)=(放电前储能－放电后储能)×电源模块转换效率=放电电压×放电电流×放电时间，经计算，能够满足设计要求。超级电容连接方法如图2所示。

图2 超级电容连接方法Fig．2 Connection methods of super capacitor

施加电压低于额定电压会使得超级电容器的寿命延长，而施加电压高于额定电压，则超级电容器的寿命将缩短，甚至寿命缩短的速度会更快。为防止法拉电容因为充电电压过高损坏，在每两个法拉电容旁并联一个5．6 V稳压管进行保护[6]。

电容长时间在相反的极性下工作，不仅会缩短寿命，而且会发生严重的损毁，例如电解液可能会发生泄漏。由于超级电容量的差异，每个电容储存的电荷量是不均衡的，在放电过程中，个别电容就可能出现负压，电容极性改变。为了防止上述情况发生，可在每个电容两端并联一个分压电阻。

2.4 设计思路

电路设计充电电流为600 mA，通过电阻R1将电流转换为电压信号，并经过内部稳定20倍增益输出。AD8210YRZ芯片输出VOUT如式1。

TPS5430DDA通过调节 VENSE脚至1．22 V控制输出，所以电路设计如图3所示，R2短路，R3不焊接。

充电初期，当充电电流小于(大于)600 mA时，SENSE端电压小于(大于)1．22 V，TPS5430DDA 内部调节升高(降低)输出电压，以保证充电电流保持在600 mA。充电后期，超级电容端电压接近于VIN，充电电流降低，AD8210YRZ芯片失去调节作用，进入恒压充电阶段。

图3 电路设计简图Fig.3 Thesimple circuit design

充电电流设置公式为：R3/(R2+R3)=0.6/I，其中R2和R3为图3中电阻，I为设计充电电流。如果希望充电电流为0.9 A，那么 R3/(R2+R3)=2/3，那么选择 R2=10 kΩ，R3=20 kΩ。

2.5 试验结果

充电电路按照图1连接完成后，打开电源开关，充电开始。通过示波器和电流表观察电容充电状态，并通过示波器观察VSENSE脚的电平变化情况。

经过VSENSE的控制，电容充电电压稳步增长，电容充电电压检测如图4所示。电流表值也都稳定在600 mA左右变化，最大达到680 mA。充电时间为103 s，小于第一阶段工作的180 s，满足设计要求。

图4 电容充电电压检测图Fig.4 Voltage detection map of capacitor charging

在充电过程中VSENSE脚一直在1.2 V左右调整，当充电完成后，逐步下降为0 V，AD8210YRZ芯片起到了控制作用，VSENSE控制总体变化图如图5所示。

图5 VSENSE控制总体变化图Fig.5 The overall change chart of VSENSE control

断开电源开关，电容组放电电压检测如图6所示。放电时间为104s，满足设计要求。

图6 电容放电情况测试结果Fig.6 Capacitor discharge test results

3 结论

本文详细阐述了超级电容充电装置电路的设计过程，充电电路改进了以往设计中需要通过MCU程序采集和分段控制电容充电的方法，采用简单硬件电路解决了超级电容充电问题，并对充电电路的性能进行了测试。经过常态性能测试与高温工作（+60 ℃，保温 2 h）、低温工作（-40 ℃，保温 2 h）试验，超级电容充电装置性能良好，各项指标满足设计要求。该产品成本低，实用性强，目前已投入使用，取得良好的效果。

[1]周新民,孙晖.新型储能元件综述—超级电容及其应用[J].变频器世界,2009(6):33-38.ZHOU Xin-min,SUNHui.The Overview of new type energy storage element-super capacitor and application[J].World of frequency transformer,2009(6):33-38.

[2]吕耀文.蓄电池充电方法的研究[J].内蒙古科技与经济,2009(2):96-98.LV Yao-wen.Research on battery charging method[J].Inner M-ongolia Science Technology&Economy,2009(2):96-98.

[3]天津力神电池股份有限公司.锂离子电池的使用常识[EB/OL].[2013-04-13].http://www.lishen.com.cn.

[4]Texas Instruments incorporated．TPS5430 data sheet-Soiseek.cn[EB/OL].[2006-1-20].http://www.soiseek.cn/TPS5430/.

[5]Analog Devices incorporated．AD8210 data sheet-analog.cn.[EB/OL][2006-2012].http://www.analog.com/AD8210/.

[6]邓仙玉.基于MPPT技术的光伏充电控制器研究[D].北京:北京交通大学.2011:26-27.