一種新型恒功率超級電容器快速充電機設計

　　研究了超級電容快速充電方法，分析了恒功率快速充電的原理，并通過(guò)比較恒電流和恒功率兩種方法，證明了恒功率充電更有利于實(shí)現快速充電。根據恒功率充電原理，制作了快速充電樣機。實(shí)驗表明該樣機電路穩定，能夠實(shí)現快速充電要求，具有良好的實(shí)用前景。

　　傳統蓄電池電源系統的電池記憶效應差、容量下降及充電時(shí)間過(guò)長(cháng)是長(cháng)久以來(lái)一直存在的問(wèn)題，而這些問(wèn)題可使用超級電容來(lái)解決。超級電容是一種極大程度上模擬了電容的電壓特性曲線(xiàn)且具有非常高的容值的新型能源器件，目前已有萬(wàn)法拉級的超級電容單體。超級電容無(wú)充放電記憶效應，允許上百萬(wàn)次充放電而不會(huì )有任何容量上的損失。此外，超級電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），這一特性使得超級電容可以大電流充放電，其額度遠超過(guò)當前最好的電池。低ESR和幾乎沒(méi)有電流限制的特性使得超級電容對充電系統表現出“假短路”，這給系統集成帶來(lái)了挑戰。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要針對超級電容的特性尋找新的充電方式。與電池不同，超級電容可以同樣的額度充電和放電，對能量回收系統(如傳動(dòng)系統的動(dòng)態(tài)剎車(chē))非常有用。

1 系統設計理論分析

　　由于RC時(shí)間常數太大，線(xiàn)性穩壓器對超級電容充電效率極低。由于超級電容具有較低的等效串聯(lián)電感，使得開(kāi)關(guān)模式充電電路的運行穩定。由于超級電容可以承受大電流的特性，恒流充電或者恒功率充電是較好的充電方式。

　　1.1 超級電容充電模型

　　參考文獻[1]比較了不同應用場(chǎng)合下的不同的超級電容模型。由于本系統是設計超級電容充電機，因此需要采用超級電容的充電模型。它由阻性部分等效電阻ESR和容性部分電容C串聯(lián)而成，表征了超級電容的充放電特性。

　　超級電容的電壓時(shí)間特性曲線(xiàn)由容性和阻性?xún)刹糠纸M成。容性部分代表了超級電容能量改變導致的電壓改變；阻性部分代表了超級電容ESR導致的電壓改變。

　　容性部分由下列方程式?jīng)Q定：

　　所以充電或者放電時(shí)的總電壓改變量為：

　　超級電容最重要的參數是ESR和電容值的大小(可以從產(chǎn)品手冊上獲知)。式(1)為超級電容充電的理論模型[2]。

　　1.2 恒流充電與恒功率充電

　　超級電容特性決定了恒流充電和恒功率充電是兩種較好的充電方式。采用DC-DC變換器可以實(shí)現這兩種充電方式。使用BUCK或者BOOST電路來(lái)對超級電容充電，在連續輸出電流時(shí)，BUCK電路是首選。但是對于充電時(shí)間敏感的充電機來(lái)說(shuō)，恒流充電并不是最優(yōu)選擇，恒功率充電在充電時(shí)間上更有優(yōu)勢。比如，對一個(gè)100 F、50 V的超級電容模組使用50 V、20 A的電源進(jìn)行充電，在恒流充電模式下，最大充電電流為20 A；而在恒功率充電模式下，充電功率可達1 000 W，其中最大充電電流限制為50 A。如圖1所示，恒流充電至50 V時(shí)所需時(shí)間為250 s，而恒功率充電至50 V所需時(shí)間約為145 s。這表明恒功率在充電時(shí)間上比恒流充電更具優(yōu)勢[3]。

　　1.3 恒功率充電實(shí)現原理

　　恒功率的基本原理是保持電壓和電流的乘積不變。本設計采用雙管正激變換器拓撲，使用峰值電流控制的方法進(jìn)行恒功率設計。雙管正激電路是隔離型降壓電路，設輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，變壓器變比為1:n，占空比為D，則輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：

　　Vout=Vin×D×n

　　電路設計好后，Vin和變比n不變，可通過(guò)調節占空比來(lái)調節輸出電壓。如圖2所示曲線(xiàn)1對應的充電電流大于曲線(xiàn)2對應的充電電流。R、S對應的波形是RS觸發(fā)器復位和置位端波形。根據峰值電流控制原理，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期之初，時(shí)鐘脈沖置位RS觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)管導通，電感電流逐漸增加，當檢測到電流信號is大于指令電流ic時(shí)，電流比較器翻轉并復位RS觸發(fā)器，這時(shí)開(kāi)關(guān)管被關(guān)掉，變壓器停止傳輸功率，扼流圈電流由續流二極管續流。通過(guò)峰值電流控制，當電流增大時(shí)，PWM占空比減小，根據輸出電壓的計算式可知輸出電壓也減小，從而使得輸出電壓和輸出電流乘積(即輸出功率)保持不變，這就是恒功率充電的基本原理[4]。