替代蓄電池的超級電容儲能模塊設計

由圖4可知，超級電容單體在充電電流為3A~8A時(shí)保持比較高的充電效率,之后，隨著(zhù)電流強度的增大，損耗在相應電阻上的功率也隨之增大,充電效率逐漸下降。

根據上面的結果，我們采用L4970A芯片構成相關(guān)的充電電路對超級電容進(jìn)

行充電，如圖5所示，該電路可以提供10A的恒流充電電流，其輸出電壓由電阻R7和R9確定。

L4970A是ST公司推出的第二代單片開(kāi)關(guān)穩壓器，具有輸出電流大，輸入電壓范圍寬，開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，具有很高的充電效率。市電220V通過(guò)整流濾波之后輸出35V的直流電壓，隨后通過(guò)圖5所示電路。如圖所示，C1和C2為輸入端濾波電容，C3、C4分別為驅動(dòng)級啟動(dòng)端和Vref端的濾波電容。R1和R2構成復位輸入端的電阻分壓器，C5為軟啟動(dòng)電容，C6為復位延遲電容。C8和R3構成誤差放大器的頻率補償網(wǎng)絡(luò )，C7則用于高頻補償。R4和C9分別為定時(shí)電阻和定時(shí)電容。C10為自舉電容。續流二極管VD采用MBR2080型（20A/80V）的肖特基二極管。C11和R5構成吸收網(wǎng)絡(luò )，R6為復位輸出端的內部晶體管的集電極電阻。C12~C14為輸出端濾波電容，并聯(lián)三只相同的220μF/40V的電解電容以降低其等效電感。

L4970A芯片的輸出電壓設定為10.8V，其輸出電阻R7由下式確定：，其中R9=4.7K，令Uo=10.8V，則R7=5.25K，取標稱(chēng)值5.1K。

超級電容的充電的時(shí)間根據公式，其中C為超級電容的額定容量，dv為超級電容的電壓變化，I為超級電容的充電電流，t為充電時(shí)間。故超級電容陣列的充電時(shí)間為（充電電流為10A的情況下）

3.2 穩壓輸出電路

由于代替的蓄電池模塊的輸出電壓為12V，而超級電容的電壓為10.8V，且隨著(zhù)超級電容工作不斷放電，其兩端的電壓將不斷降低，當超級電容釋放儲能的50%的能量時(shí), 其端電壓將下降到初始電壓的70%。因此需要相應的升壓控制電路避免由于超級電容陣列電壓的降低影響負載的正常運行,提高超級電容儲能的利用率。

圖6 穩壓輸出電路

我們采用MAXIM公司的升壓型dc/dc芯片MAX668。MAX668具有很寬的輸入輸出電壓范圍，它可以將3~12V的輸入電壓升高到12V輸出，同時(shí)，由于其采用了低至100mV的電流檢測電壓和MAXIM公司特有的空閑模式，轉換效率高達90%以上，具有最高1A的電流輸出能力，升壓電路如圖6所示。

MAX668為固定頻率，電流反饋型PWM控制器，內部采用雙極型CMOS多輸入比較器，可同時(shí)處理輸出誤差信號、電流檢測信號和斜率補償信號，由于省去了傳統的誤差放大器，從而抑制了由誤差放大產(chǎn)生的相移。MAX668能夠驅動(dòng)多種類(lèi)型的N溝道MOSFET,這里選擇的是FDS6680。由于芯片工作在100 kHz 以上的高頻狀態(tài)，所以二極管D1應選取可高速關(guān)斷的肖基特二極管，本文選擇的是MBR5340T3。

超級電容以4個(gè)串聯(lián)，2組并聯(lián)的方式構成。每個(gè)超級電容的能量輸出為

其中，為芯片的最低啟動(dòng)電壓。

故超級電容陣列的能量總輸出為，超級電容陣列的容量為

本超級電容替代模塊的容量為10Ah，最大輸出電流為1A，若要擴大其應用范圍只需要改變超級電容的串并聯(lián)數量和相應的芯片即可。

四、總結

由于容量的限制, 電容的作用一直被限制在濾波、耦合、諧振等方面。隨著(zhù)超級電容的發(fā)展，其應用范圍得到不斷拓寬。本文介紹了一種替代蓄電池的超級電容儲能模塊，通過(guò)合理地設計充電和穩壓電路，該模塊的能量輸出可達到59200J,具有穩定性好，轉換效率高等特點(diǎn)。通過(guò)matlab軟件計算本文充電電路的電流與效率之間關(guān)系，并確定最佳的充電電流范圍。隨著(zhù)超級電容耐壓的提升、容量的擴大和價(jià)格的降低，相應的小功率儲能模塊具有很好的應用前景。