基于PWM超級電容充電裝置的設計裝置

摘要：為了解決目前國內外普遍使用儲能元件存在大量環(huán)境污染和壽命短的問(wèn)題，文中設計實(shí)現了一種用于基于PWM的超級電容充電裝置。該充電裝置包括：通訊裝置、轉換裝置、脈沖調制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩壓器、LED、超級電容、為超級電容提供的如交流電、電池組、太陽(yáng)能等能量源，其中轉換裝置、脈沖調制裝置、控制裝置、通訊裝置實(shí)現為超級電容充電信號接收、控制和轉換功能。其中采樣裝置由采樣模塊組成，采樣模塊實(shí)時(shí)地對超級電容的電壓、溫度等數據進(jìn)行采樣，并將采樣到的數據傳送給通訊模塊進(jìn)行數據處理和通信。脈沖調制裝置接受邏輯控制裝置傳送過(guò)來(lái)的調制信號，對脈沖的寬度進(jìn)行調制，最后借助轉化裝置實(shí)現為超級電容器充電的功能。本文采用的充電模式，實(shí)現了充電的低成本，高效率的特點(diǎn)，能夠最大化發(fā)揮其充電的性能。

關(guān)鍵詞：超級電容;PWM;充電裝置;脈沖調制

近年來(lái)，隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強，節能型電器產(chǎn)品日益受到歡迎，可是這些產(chǎn)品的使用都離不開(kāi)儲能元件。目前，國內外普遍使用的儲能元件主要是蓄電池，如鉛酸蓄電池及鎳鎘電池等，存在著(zhù)環(huán)境污染和壽命短等問(wèn)題，而超級電容作為一種新型儲能元件給解決上述問(wèn)題帶來(lái)了希望?，F有儲能元件儲能技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：1)充電速度慢，功能密度低。2)循環(huán)使用壽命短，深度充放電循環(huán)使用次數少。3)放電電流小，放電能力較差。4)儲存、拆解過(guò)程可能造成污染，破壞環(huán)境。

1 系統的總體設計

為了對儲能元件造成的環(huán)境污染等一系列問(wèn)題進(jìn)行預防，設計了一款基于PWM的超級電容充電裝置，該裝置由通訊裝置、轉換裝置、脈沖調制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩壓器、LED、超級電容、為超級電容提供的如交流電、電池組、太陽(yáng)能等能量源等組成。與現有技術(shù)相比，本系統方案設計具有如下優(yōu)點(diǎn)：充電速度快，經(jīng)過(guò)測試充電10 s～10min可達到其額定容量的95%以上。循環(huán)使用壽命長(cháng)，沒(méi)有“記憶效應”。能量轉換效率高，電流放電能力較強。功能密度高，并且在生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過(guò)程中沒(méi)有污染，是一個(gè)非常環(huán)保的技術(shù)。并且我們檢測也比較方便，電量可以直接讀出來(lái)。

系統結構框圖如圖1所示。

2 軟硬件部分設計

2.1 通訊裝置設計

通訊裝置采用通訊模塊，通訊模塊是信號通訊的基本單元，信號的的穩定傳輸是整個(gè)系統可靠性的基本保證。通信模塊通常是一個(gè)微型的嵌入式系統，從傳輸功能上看，通信模塊要進(jìn)行本地信息收集和數據處理外，還要對采集到的信息據進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時(shí)傳輸到用戶(hù)手持遙控器。目前收發(fā)模塊的軟硬件技術(shù)是通信研究的重點(diǎn)。本系統通信模塊由微處理器、存儲器、晶振等構成，它包含了特定應用的邏輯。

通訊模塊廣泛地運用在車(chē)輛監控、遙控、遙測、小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)抄表、門(mén)禁系統、小區傳呼、工業(yè)數據采集系統、無(wú)線(xiàn)標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無(wú)線(xiàn)數據終端、安全防火系統、無(wú)線(xiàn)遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、無(wú)線(xiàn)232數據通信、無(wú)線(xiàn)485/422數據通信、數字音頻、數字圖像傳輸等領(lǐng)域中。

在通訊裝置中，發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數據先被送入128字節的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。所要發(fā)送的數據流的每4個(gè)比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到2.4 GHz，并經(jīng)放大后發(fā)射出去。

該通訊模塊可以實(shí)現數據的傳輸通信功能，超級電容在運行過(guò)程中向采樣電路傳輸數據，我們通過(guò)采樣電路對數據進(jìn)行收集采樣，采樣裝置將其采樣到的超級電容的電壓、電流、溫度等數據傳送給通訊裝置，之后通訊裝置再將數據傳送給邏輯控制裝置，通訊裝置也可以直接進(jìn)行與超級電容的通訊。

2.2 脈沖調制裝置設計

脈沖調制裝置采用脈沖調制模塊，脈沖調制模塊是基于脈沖寬度調制技術(shù)而做成的一種模塊，脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來(lái)調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現晶體管或MOS管導通時(shí)間的改變，從而實(shí)現開(kāi)關(guān)穩壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

本系統中脈沖調制模塊接受邏輯控制裝置傳送過(guò)來(lái)的調制信號，脈沖調制裝置主要是用于對傳輸過(guò)來(lái)的信號進(jìn)行調制比如脈沖信號，在圖中對脈沖的寬度進(jìn)行調制，我們可以通過(guò)軟件編程調節充電脈沖的寬度，從而調節波形的占空比、周期和相位，最后借助控制單元的轉化器實(shí)現為超級電容器充電的功能。

2.3 邏輯控制裝置塊設計

邏輯控制裝置采用邏輯控制模塊，邏輯控制模塊是基于數字電路中常見(jiàn)的邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或等邏輯運算所開(kāi)發(fā)的一種實(shí)用性較高、被廣為使用的模塊。邏輯控制模塊廣泛應用各種數字電路、自動(dòng)化、plc控制等領(lǐng)域，與各種控制器、單片機等組合能夠充分發(fā)揮它的邏輯控制作用，國外的大型廠(chǎng)家都開(kāi)發(fā)過(guò)專(zhuān)屬自己產(chǎn)品的邏輯控制模塊。

本系統中采用了邏輯控制模塊，它分別與通信模塊和脈沖調制模塊相連接，在中間起著(zhù)數據處理、轉化的作用。在系統中，我們在邏輯控制模塊中預先寫(xiě)入了相應的邏輯運算函數，比如超級電容的荷電狀態(tài)與電壓構成的函數。在超級電容充放電過(guò)程中，通信模塊將電壓、溫度等一系列數據傳送給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊按照一定的邏輯算法經(jīng)過(guò)相應的邏輯運算之后，將邏輯運算結果輸出給脈沖調制模塊，為脈沖調制做出準備。

2.4 采樣裝置設計

采樣裝置采用采樣模塊，采樣模塊是基于物理量的采樣、數據采集而設計的一種模塊。在模擬量控制系統中，生產(chǎn)過(guò)程所處理的都是連續變化的物理量。這些物理量都是經(jīng)過(guò)傳感器和變送器的變換而變成的標準的連續變化的物理量如電壓、電流等。這些物理量如果要送入計算機、plc等數字量設備里必須要先進(jìn)行采樣，采樣之后的物理量變?yōu)殡x散量，從而可以被其他設備等示別。

本系統采用了采樣模塊，在超級電容充放電的過(guò)程中，我們通過(guò)采樣模塊實(shí)時(shí)地對超級電容的電壓、溫度等數據進(jìn)行采樣。采樣模塊采用輪詢(xún)的機制定時(shí)地檢測超級電容器電壓、溫度，并將采樣到的數據傳送給通信模塊進(jìn)行數據處理和通信。

2.5 轉換裝置設計

轉換裝置由轉換器構成，轉換器是在數字電路、模擬電路中經(jīng)常使用的裝置，主要用于數據、信息的轉換。常見(jiàn)的轉換器有模/數轉換器和數/模轉換器。模/數轉換器又稱(chēng)A/D轉換器，主要用于把模擬量轉換為數字量處理。數/模轉換器又稱(chēng)D/A轉換器，主要用于把數字量轉換為模擬量處理。本系統中轉換器主要是用于接收脈沖調制模塊所傳遞過(guò)來(lái)的信號，并且進(jìn)行處理。脈沖模塊先接收控制單元傳遞過(guò)來(lái)的調制信號，該模塊先進(jìn)行調制，調整合適的脈沖的脈寬，并將該脈沖信號傳送給轉換器，轉換為超級電容所能處理的物理量，并為超級電容充電。

2.6 能量源設計

能量源可以由交流電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、電池組、發(fā)動(dòng)機構成作為電源，通過(guò)能量源輸出端口為整個(gè)充電電路提供能量。一方面，能量源可以通過(guò)轉換裝置將交流電、太陽(yáng)能、風(fēng)能等能源轉換為直流電進(jìn)入電路，再經(jīng)過(guò)電路的調節作用為超級電容供電。另一方面，由交流電、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能等可以提供作為電源的能量源可以直接借助穩壓器直接為邏輯控制裝置供電。

3 系統功能實(shí)施

3.1 系統結構功能

在本實(shí)施例中，我們通過(guò)研究超級電容器的電壓、電流等參數以及超級電容充電的剩余容量，提出一種不同充電方式的充電裝置。在本系統中，超級電容器可以是一個(gè)超級電容組成或者由多個(gè)超級電容串聯(lián)形成。與超級電容連接的采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級電容器，檢測超級電容的電壓、電流、溫度等一系列參數，并把采樣到的數據傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號后，通過(guò)自身設置好的運算方法，來(lái)求出超級電容的剩余容量。我們預先設定了超級電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1和超級電容在滿(mǎn)電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量2。

3.2 系統充電方式

第一步：先將能量源和超級電容連接，由能量源為超級電容提供電源。

第二步：采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級電容器，檢測超級電容的電壓、電流、溫度等一系列參數，并把采樣到的數據傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號后，通過(guò)自身設置好的運算方法，來(lái)求出超級電容的剩余容量。

第三步：將求出的超級電容的剩余容量與上面提到的超級電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1和超級電容在滿(mǎn)電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量2做出比較，其中剩余容量2>剩余容量1。

第四步：邏輯控制裝置根據比較結果計算出超級電容所需要的充電電壓和電流等數據，并且發(fā)出調制信號給脈沖調制裝置。

第五步：脈沖調制裝置接受到調制信號以后，調整充電脈沖寬度，調節PWM占空比，并且通過(guò)轉換器為超級電容充電。

第六步：不斷重復上述步驟，直到超級電容完成充電或者終止充電。

在充電過(guò)程中，如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調制信號C給脈沖調制裝置，脈沖調制裝置根據接受到的信號，調整充電脈沖寬度，調節PWM占空比，并且通過(guò)轉換器為超級電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量小于剩余容量1并且大于剩余容量2，邏輯控制裝置發(fā)出調制信號A給脈沖調制裝置，脈沖調制裝置根據接受到的信號，調整充電脈沖寬度，調節PWM占空比，并且通過(guò)轉換器為超級電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級電容在零電壓時(shí)刻充電時(shí)的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調制信號B給脈沖調制裝置，脈沖調制裝置根據接受到的信號，調整充電脈沖寬度，調節PWM占空比，并且通過(guò)轉換器為超級電容充電。

4 結束語(yǔ)

本文設計的基于PWM超級電容充電裝置的設計裝置具有如下特點(diǎn)：1)充電速度快，充電10 s到10 min可達到其額定容量的95%以上;2)循環(huán)使用壽命長(cháng);3)電流放電能力強，能量轉換效率高，過(guò)程損失小;4)功率密度高，無(wú)污染，綠色環(huán)保。該裝置工作穩定可靠，成本低廉，適合大范圍推廣使用。