对超级电容高效充放电的研究

2020-07-16赵明君

中国新技术新产品 2020年9期

赵明君

（曲阜师范大学，山东日照 276826）

0 引言

随着时代的进步，针对自然资源紧缺、污染严重等问题，无线充电技术迅速发展，基于无线充电原理的各种新型设备逐渐进入人们的生活中。绿色环保的超级电容可以作为极优的承载工具，具有充电速度快、循环使用寿命长、能量转换效率高等特点。因此，超级电容完全可以辅助无线充电，通过对超级电容充放电的理论和实践研究，可以更快地储存能量并且更加高效地利用能量。

1 理论综述

1.1 超级电容的充放电理论及物理模型分析

由于储能本质原理的不同，超级电容的工作原理也不同，具体可分为双电层电容和法拉第准电容2 类。下面以法拉第准电容为例简述其工作原理，在电极表面及其附近或处于体相中的（准）二维空间上，发生氧化还原反应及化学吸脱附反应，得到和电极充电电位值相关联的电容。其保存电荷的过程包含双电层的电荷存储和电解液中离子因氧化还原产生的电荷储存，并相应保存在电容电极中。电解液中正负离子如H+、OH-、K+等，在外加电场的吸附作用下，从电解液中扩散到电极和溶液的界面处，在界面上进行氧化还原反应后，再次回到电极表面活性氧化物的体相中，这样就会使大量的电荷被存储在电极中。在进行放电时，凡是在氧化物中的离子又会通过上面所描述的氧化还原逆反应重新返回电解液中，同时通过外电路释放之前储存的电荷。以上就是法拉第准电容充放电的基本原理。

在对超级电容进行物理模型分析时，参数SOC 是用于标定当前电池容量的状态参数，利用准确性、可靠性高的状态参数可以对电池进行一定的控制，进而更有效地利用电容组，并且在一定程度上可以延长电池的使用寿命。根据一阶非线性模型，通过电路关系方程，结合安时计量法，可得SOC 的非线性方程，如公式（1），（2）所示。

式中：SOC（t）表示t 时刻超级电容的荷电状态，其中SOC（t0）表示初始时刻的电容荷电状态，I（t）表示流过电容的电流，Q0是超级电容的额定容量， F [SOC（t）] 是电容SOC 与电容两端电压的非线性关系，UC（t）表示电容两端的电压值，因此得到在考虑电流积分情况下的超级电容模型。如图1 所示，通过卡尔曼滤波法对SOC 进行计算，得SOC 与电容两端电压呈正相关。计算结果收敛于真实值，这对在不同时间段下对超级电容充电数据进行分析，具有深刻的建模意义，有助于用电力电子电路优化不同时段的充电效率。

图1 卡尔曼滤波法对SOC 计算结果图

1.2 Buck恒流电路与Boost升压电路机制

DC-DC 变换器可将不受控直流变为受控直流，按照输入输出之间是否有电气隔离分为基本型和隔离型。基本型直流变换器以降压式（Buck）和升压式（Boost）为典型的电路拓扑结构，除此之外还有升降压式变换器、Cuk 变换器、Zeta 变换器等。

在Buck 恒流电路电流连续状态下，开关管的导通与关断受到控制电路输出的驱动脉冲的相应控制，其表现形式为导通占空比其中tON表示开关管导通时间，T表示周期时间。由此得Uo=DUi，其中Uo为电路输出电压，Ui为输入电压，D 为导通占空比。当D 固定时，输出端具有不变的电压和电流。在Boost 升压电路电流连续与临界状态下，条件以及参数的定义同上述降压电路，有，其中Uo为电路输出电压，Ui为输入电压，D 为导通占空比。受D 取值范围的约束，输出平均电压高于输入平均电压。由于电路为直流直流变流电路，在输入电压恒定的情况下，可通过调整采样频率来改变占空比的大小，使输出电压调整到所需值附近。

2 以无线充电小车为例

根据上述的理论分析，可以将结论应用于具体实例中，该文以无线充电小车为例，讲述如何应用上述理论，提升超级电容的充放电效率。

在进行电容充电时，由一定的实验测试可得，对超级电容进行充电工作时，电容两端电压不能突变，电容刚开始充电时会有输入电流较大的情况出现，这个时候充入电容的功率不受控制，会导致功率过大以至于直流电压源进入限流状态，对单片机启动电压的要求大于所供电压，这会对整体性能造成影响。因此用Buck 恒流电路对超级电容进行充电时，首先使用桥式整流桥，然后接上Buck 恒流电路，以相对稳定的电流（1 A）对电容进行充电工作，电路如图2 所示，这样既解决了充电早期电流过大、影响后续提供稳定电量的问题，又解决了在充电末期电容较小、充电功率同样较小导致能量效率低的问题。

在进行电容的放电操作时，由一定的理论分析和实验测试可以发现，针对该无线充电小车，使用2.7 V、10 F 的超级电容两两并联后，再对这3 组进行并联，这样的接法会使小车在有限的空间下以较高效率的充放电。由SOC 计算公式可得：超级电容当前存有的能量与电容两端的电压呈现正相关的关系，因此可以充分利用Boost 升压电路（如图3 所示），当电容两端电压值较低时，该电路会升高电压来驱动电机，这样就可以达到以较小电能发挥较大作用的节能目的。以MT3608 升压芯片为例，芯片供电来自超级电容的输出，从理论来讲，可将电容中0 V～6 V 的电压都通过Boost 电路转变为8 V 电压给电机供电，但芯片内部开关管存在内阻等问题，实际操作中仅能利用超级电容内0.6 V ～6 V 的电能，即有效利用其中90%的能量。

无线充电小车以超低功耗的MSP-EXP430F5529LP 单片机为主控，由无线发射模块、接收模块、电机驱动模块、超级电容组组成。通过接收线圈与发射线圈的电磁感应，给超级电容充电，通过电路设计输出5 V 的稳定电压，给单片机、低功耗的电机驱动模块、红外传感器供电，利用单片机AD采集实现小车跑圈功能的要求。经过测试，该方案可以使小车在固定4 个发射线圈的圆形测试赛道上跑15 圈～16 圈。