超级电容无线恒功率充电系统中电容充电效率的研究

2020-07-21沈承舒宋红军

贵阳学院学报(自然科学版) 2020年2期

沈承舒，宋红军

(贵阳学院电子与通信工程学院，贵州贵阳 550005)

近年来，对电动汽车以及混合动力汽车的需求越来越高，之前大部分电动汽车使用的是蓄电池，而蓄电池的各种特性特征满足不了所要求的汽车在启动以及加速和爬坡过程中的更高要求。于是开始向超级电容器应用于汽车入手。超级电容器具有储存能量大、充电时间快捷迅速的特点，单体电容器的充电时间一般为秒级，并且存在使用过程对环境无污染、能够在相对较高的温度环境中使用、循环使用寿命长、高功率放电等诸多特点，可以满足电动汽车在启动加速以及爬坡过程中的高功率放电要求。但是这些都得考虑到电动汽车在使用时候的单车能耗问题，整车成本问题，维护费用

以及充电效率的问题。基于此，本文主要研究超级电容在无线恒功率下的充电效率，通过在恒功率为20W的充电方式下对超级电容进行充电，在充电过程中记录充电的时间与超级电容两端电压等数据，然后对数据加以分析计算得出此次恒功率充电下的充电效率。

1 超级电容充电方案

1.1 超级电容储能原理

根据在能量储存机理方面，可以将超级电容器分为双电离电容器和法拉第电容器两类，然而本次试验设计主要针对的是对双电离电容器充电效率的研究。其中双电离超级电容器的电极材料由活性导电碳，碳纳米管或者凝胶形成的石墨碳制作而成，其能量储存方式是通过物理方式进行储存，其中电解质溶液中的离子在外加电压所构成的电场的作用下，与两电极在电解质界面上发生正负分离的电荷在库仑力的作用和分子间力与原子间力的作用下形成了双电离层，从而实现电荷能量的储存。双电离超级电容的结构示意图如图1所示。

图1 双电离超级电容器的结构示意图

本实验选用耐压值为2.7V，容值为100F的超级电容通过串联组成耐压值为13.5V，容值为20F的超级电容组。

1.2 影响充电的因素

采用对称电极设计的超级电容，其正负极采用的是同种材质构成，其中双电离电容器的电极材质大部分是由导电性质优良且具有较高表面积的活性炭、碳纳米管等材质构成。在电容充电过程中若朝着电容的一个方向长时间的充电，那么它们之间的极性就会变得越来越强，若在此充电过程中突然变换方向进行充电，那么就会使得该电容的使用寿命被降低，在此次实验过程中为了让实验结果不受到影响故而保持超级电容始终按一个方向进行充电。

每一个超级电容器在电路中工作时都存在着一个推荐的工作电压值或者最佳工作电压值，这个工作电压值或者最佳工作电压值是根据电容在最高设定温度下最长工作时间来确定的。若电路的实时工作电压超过推荐工作电压的1.3倍，这样就会造成超级电容器的损坏。为了让超级电容器免受长时间处于过压状况的影响，在此对超级电容的充电过程中使其工作在推荐的工作电压下。

每一个超级电容器在工作过程中都存在有一个工作温度范围，该工作温度值范围为-40℃至+85℃。一般情况下，超级电容所工作环境的温度每升高十摄氏度，电容的寿命就会降低百分之三十至百分之五十左右。因为超级电容器工作在高温环境下会造成其内部阻值的升高，阻值升高过程是永久的不可逆转的。这样从而会影响到超级电容器的使用寿命。因此在使用过程中尽可能的降低超级电容所处环境的工作温度，以此来补偿电容的衰减与电容内阻的升高。

1.3 恒功率充电分析

本文采用的是恒定功率对超级电容进行充电测试，恒功率充电是指在对超级电容充电的过程中，根据所需设定的充电功率，保持超级电容在充电过程中的充电功率值的不变进行充电。然而在恒定功率充电方式下，超级电容的充电电压和充电电流是在随时变化的，这时就需要对变化的电流和电压进行调节，使得其乘积功率P恒定。对于负载为储能电容而言，它所吸收的功率等于充入的电流乘以电压，而电流又等于电压的变化率乘以电容值。因此在电容充电过程中，电压是不断变化的。若对电容采用恒定功率P进行充电，根据超级电容的电容储能公式可以得出电容两端的电压UC(t)随着时间变化的表达式如(公式1)所示：

(1)

对于超级电容而言，超级电容的电容容值是固定的，再根据上述公式得到电压的表达式如(公式2)所示：

(2)

由上述公式调节输出PWM的占空比便可以简单的实现超级电容的恒定功率充电，在此为了完成PWM占空比信号的产生，使用单片机来产生相应的PWM信号，按照已知的参数产生相应的随着时间变化的PWM的占空比。

2 实验数据

2.1 充电时间与电容两端电压

超级电容的充电时间记为：在实验过程中超级电容两端电压由0V充到13.17V所用的时间，如表1所示为超级电容在20W的恒定功率下的充电时间和电容两端电压的数据记录。

表1 恒功率下的充电时间和电容两端电压

由表1数据可以得出超级电容组在恒定充电功率下随着充电时间的增加其两端电压也跟着增加，当给超级电容组充电的时间在21s之后其两端电压为13.17V便且不再增加，此时便已经达到该超级电容组的额定电压范围。由此也可得出若将额定电压为13.5V的超级电容组在20W的恒定功率下充满电，只需要的充电时间在21s左右。

根据上述表格得出超级电容两端电压随充电时间变化的关系。如图2所示。

图2 电容电压随充电时间变化关系图

2.2 充电功率的变化

在给超级电容组充电的过程中，伴随着充电时间的进行，对超级电容的充电PID算法进行调节前后超级电容组充电功率的变化如图3、图4所示。

图3 充电功率未调节时的变化图形

在上述情况中，对超级电容的充电功率进一步的调节之后的功率变化如图4所示。

图4 充电功率调节之后的变化图

在给超级电容组充电的过程中，伴随着充电时间的进行，对超级电容的充电进行恒定功率调节之后超级电容组充电功率稳定时的变化如图5所示。

图5 充电功率调节稳定时的变化图

上述恒定功率变化图中上部曲线表示充电过程中PWM占空比输出曲线，而下部曲线则表示的是充电过程中的充电功率变化曲线。由以上曲线可以得出在给超级电容组充电的时候，刚开始时充电功率并没有在20W下，随着充电时间的进行其充电功率随着增加，当达到所需要设定的20W恒定充电功率时就不再随充电时间的变化而变化，从而稳定在20W的恒定功率下给超级电容充电。