基于超级电容的一种新型供电系统的设计

李 楠，　任永杰，　杨学友(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

基于超级电容的一种新型供电系统的设计

李 楠，任永杰，杨学友
(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

设计了一个利用法拉级超级电容器作为储能元件的供电系统。该系统由充电装置和直流稳压器两部分构成，充电装置可以在数分钟内将超级电容器充满电，直流稳压器为用电设备提供了不同幅值的直流恒定电压。提出了恒流充电与恒压充电相结合的充电方式，缩短了充电时间。实验结果表明，该系统可以作为传统蓄电池的一种替代品，其突出优势是大大缩短了充电所用的时间。

超级电容器；供电系统；充电装置；直流稳压器

传统的可充电型蓄电池有三种，即镉镍、氢镍和锂离子充电电池。其中镉镍电池和氢镍电池由于其化学原理上不可避免的“记忆效应”，正逐渐被淘汰。锂离子电池虽然解决了“记忆效应”，但由于其充电过程是一个化学反应，所以充电电流不可过大，因此导致充满电需要的时间较长。超级电容器(又叫双电层电容)是近年来发展起来的一种新型储能元件，由于其电容量远大于普通电容器，可以达到上百甚至上千法拉，因此又被称为法拉电容[1]。超级电容是一种电化学元件，但在其储能的过程中并不发生化学反应，仅仅是一个物理过程，这种储能过程是可逆的。它作为一种新型的储能元件，具有很多突出的优势：可以大电流快速充电，内阻极低，能量密度高，循环寿命长，环保等。本实验采用了4个相同型号的超级电容，其额定电压2.7 V，容量500 F，将它们串联到一起作为供电系统的主体，为其设计了一套前端充电系统和后端稳压装置，并对充电电路和稳压电路的性能进行了相关的仿真和实验测试。

1 原理

用平行极板电容的模型来描述超级电容，如下：

式(1)表明，超级电容的容量与电极板的有效面积成正比，而与电层的厚度成反比。当一个超级电容被制造出来以后，它的容量就是固定的。关于电容，还有两个方程：dQ=idt和C=Q/UC，于是得到：

式中：UC为电容器正负极之间的电压；dUC/dt表示电压的变化率。

在理想条件下，充放电过程中电压电流的变化如图1所示。

图1　　理想情况下的充放电曲线

但是实际中，超级电容是有内阻的[2]，用Req来表示其等效内阻，则有：

式(2)、式(3)结合得到：

解此微分方程可得：

由式(5)可以看出，电流随电压的变化出现一个一阶延迟，因此图1中的曲线将会变成如图2所示的曲线。由图2(b)可以看到，在充放电转换瞬间，有一个电压的突变，这是由超级电容的电阻导致的，Du=iReq。

图2　　实际情况下充放电曲线

2 仿真

为了连线方便，采取串联式充电的方案。本研究没有采取充电电压均衡系统方案[3]，首先，超级电容内阻极小，由内阻导致的充电截止电压的差别也比较小；其次，超级电容没有记忆效应，充电的不均衡不会对电容器造成不可逆的损坏。因此，本文的充电方案没有引入均衡控制系统。

2.1恒流充电

图3所示的是恒流充电的仿真电路，芯片LT1083是一个三端稳压芯片，它的输出端和调整端之间电压是恒定值，为1.25 V。因此充电电流大小为：i=1.25 V/R2=6.25 A。Q1和Q2用来放大LT1083的输出电流。仿真结果如图4和图5所示。从图4可以看出，充电电流是一个恒定值6.2 A，超级电容两端电压线性增加。图5中的4条曲线分别表示4个不同内阻(RC1=0.002 W,RC2=0.004 W,RC3=0.006 W,RC4=0.008 W)的电容器的充电最终电压。从图5可以看出，串联的各电容器单体的充电截止电压差别非常小，最大的差别不超过0.05 V。

图3　　恒流充电仿真电路

图4　　恒流充电仿真结果

图5　　电容器单体之间充电截止电压对比

2.2恒压充电

恒压充电的仿真电路如图6所示，芯片LT1083提供恒定的充电电压，其电压值由R2和R3的比例决定。其仿真结果如图7所示。在实际设计中，先用恒流充电法给电容器充电，当电压达到11.5 V时，切换到恒压充电模式，因此图7仅显示了即将充满电的充电后期的电压电流曲线。可以看到，当电压接近11.8 V时，充电电流急剧下降，当电压达到12 V时，充电电流减小为0 A，充电过程结束。

图6　　恒压充电仿真电路

图7　　恒压充电仿真结果

3 系统结构

3.1充电系统

图8展示了充电系统的结构组成。本文选择了飞思卡尔的一款8位微控制器(MC9S08AC16)，作为整个充电系统智能管理的核心；超级电容的电压以及电流的采样电压经过AD后送入单片机进行实时监控与处理；MOS管用来实现恒流恒压充电电路的切换；显示屏上实时显示充电参数；蜂鸣器用来报警和提示充电完成。

3.2稳压系统

图8　　充电系统结构示意图

直流稳压系统的结构如图9所示。该系统通过多级DC-DC直流转换芯片，把超级电容器提供的不稳定电压最终转换为+12、+5、－5 V、可调电压四路直流稳定电压，为后续的不同传感器供电[4]。

图9　　稳压系统结构示意图

4 实验结果

图10展示了实验中的充电电压及电流曲线，基本符合仿真结果。值得注意的是，在绿色圆圈处(恒流充电切换为恒压充电瞬间)，超级电容的电压会出现一个负的突变，这是由其内阻导致的，同时，充电电流也突然下降到1 A左右，进入恒压充电阶段，直至电压达到12 V，充电结束，整个充电过程耗时仅为270 s左右。

图10　　实验中的充电电压及电流曲线

对于DC-DC直流稳压电路，我们用交流电压表对其在不同放电电流下的纹波进行了多组测试，最终得出其纹波率的平均值，见表1。结果表明，本实验设计的稳压电路纹波很小，满足传感器对电源纹波的要求。

???????????????????????? ???/％ 50 mA?? 150 mA?? 200 mA?? 250 mA?? 1 2 V ? ? 　0 . 0 5 3 　0 . 0 4 8 　0 .0 5 0 　0 .0 6 2 5 V ? ? 　0 .1 1 0 　0 . 1 3 2 　0 .0 9 8 　0 .1 2 1 ? 5 V ? ? 　0 . 0 9 7 　0 . 1 2 0 　0 .1 1 2 　0 .1 5 3

5 结论

本文展示了一种利用超级电容作为储能元件的新型供电系统的设计与实验，对充电电路进行了仿真，对充电系统和稳压系统进行了实验，结果表明本研究设计的恒流恒压相结合的充电方式能有效缩短充电时间，多级稳压芯片转换的稳压电源纹波率极低，具有很好的发展前景。

[1]翟楠松,张东来,徐殿国,等.超级电容国内外研究及应用现状[J].仪器仪表学报,2007,28(8):1-4.

[2]储军,陈杰,李忠学.电动车用超级电容器充放电性能的实验研究[J].机械,2004,31(3):20-22.

[3]张莉,张宁,李琛,等.串联超级电容器组电压均衡系统的设计[J].电子测量技术,2011,34(9):8-10.

[4]CAMARA M B,GUALOUS H,GUSTIN F,et al.DC/DC converter design for supercapacitor and battery power management in hybrid vehicle applications-polynomial control strategy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(2):587-597.

Experiment of new power supply system based on supercapacitors

LI Nan,REN Yong-jie,YANG Xue-you
(State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A new power source system which uses supercapacitors as the energy storage element was designed.The system is made up of charging device and DC-DC converter.The charging circuit charged the supercapacitors in a few minutes and the DC-DC converter provided the sensors with different constant voltage values.The constant-current charging and the constant-voltage charging were combined.The experiment results show that our system is a good replacement of conventional batteries.

supercapacitors;power supply system;charging device;DC-DC converter

TM 53

A

1002-087 X(2016)01-0121-03

2015-06-03

国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2012AA041-205)

李楠(1990—)，男，山西省人，硕士研究生，主要研究方向为超级电容器特性。