超級電容技術分析及應用

　　圖5：鏟車在降下貨物時可以捕捉并存儲相應的勢能，這些能量可用于將其他貨物抬升到較高的存貨區。該鏟車能量的時間關系圖表示氫燃料電池與超電容陣列分擔負載的情況。

　　短暫的放電時間對某些超電容應用是有積極作用的。在歐洲的風力農場中，最新的風電渦輪葉片直徑達到了160ft，輪軸距離地面250ft高。在風力較大時，葉片轉速較快，以免渦輪發生逆向旋轉。這需要為每個葉片設置大扭矩的調節電機以及相應的電源。

　　盡管可以利用鉛蓄電池實現這種系統，但是人們在設計風力渦輪時采用了超電容。電池可能需要定期的維護，而超電容卻不需要。當然，維護電池的工作需要雇用一些熟練的服務人員攀爬塔架。他們必須專注于繁重的維護工作，不斷在幾千座塔架上爬上爬下，才能對電池進行有效的維護。

　　電路設計

　　超電容、電池、燃料電池和太陽能電池板的相互結合產生了很多新穎的設計方案。最近在達拉斯召開的功率電子技術大會上發表的論文中介紹了很多這類方案，代表了該技術的當前最新發展水平。

　　在一篇名為“Storing Power with Super Capacitors”的論文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便攜式應用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的無線數據卡，在數據信號的傳輸過程中需要峰值電流的支持，而這種峰值電流超出了PC卡、CF卡或USB標準的范疇。

　　DeLurio還發現在手機相機的LED閃光照明裝置上也存在類似的問題。他說，“設計者的面臨挑戰在于如何以一種最有效的方式將電池、DC-DC轉換器和超級電容互連起來，限制超級電容的充電電流，在負荷事件之間對電容不斷進行重新充電。”

　　DeLurio認為，超電容的問題在于它們的ESR(equivalent series resistance，等效串聯電阻)較低。當最初電容放電之后，它對于充電電路而言就像是一個低值電阻。由此而產生的瞬間起峰大電流實際上造成了電池的短路。此外，他指出，“所有這種類型的電路都需要短路、過壓和電流保護機制。”

　　設計者可以采用電阻串聯的方式來限制電流，但是這種方案會導致電容的充電時間太長而無法接受。DeLurio介紹了一種PC卡應用，其中為限制PC卡主機/卡通信電流而設置的電阻使得充電時間達到了7分鐘的量級。

　　在主機/卡通信之后采用更大的電流可以縮短充電時間。實際上，如果將這一原理進一步擴展，那么在電容充電的過程中可以采用某種方式在一連串電阻上進行切換，從而達到控制電流的目的。

　　但是這種方法“要求必須對切換點的時機進行精確的控制，這可能需要非常精準和昂貴的電阻，或者采用額外的電壓檢測器進行監測，” DeLurio說，“而且，當電容完全充電并將PC卡拔掉時，存儲在電容內的能量足以損壞插腳。”

　　相反，DeLurio介紹了Analogic Tech推出的一種新型“智能開關”。AAT4620型限電流P溝道MOSFET電源開關是針對無線卡超電容應用而特別設計的。它有兩套獨立的、電阻可編程的電流限制電路，以及受控于AAT4620核心溫度的功率環路。

　　Microchip公司的Keith Curtis發表的“Super-Capacitor Power Storage”一文首先指出，采用線性充電器對超電容進行充電是無效的。他接著介紹了一種經過改進的DC-DC降壓調節器(如圖6a所示)作為合適的充電電路，因為這種電路能夠“調節電容的充電電流，與輸出電壓無關……使用電壓反饋作為判斷充電是否完成的依據。”

　　圖6：為了在衛星系統中同時集成電池、太陽能電池板和超電容，Microchip和AMSAT的設計人員采用了一種改進的開關式降壓轉換器對超電容進行充電(a)。通過升壓轉換器的放電將會使超電容正常的指數式放電曲線趨于平坦，降壓/升壓轉換器相結合的方式(b)采用了很多相同的元件。

　　這種電路的效果與DeLurio之前介紹的類似，但是更具通用性。對于該電路的工作方式，“電流……通過比較電感器中的電流與兩個固定的電流值來進行調節;一個是預期的最大電流，另一個是最小電流，” Curtis說。

　　“最初，電感器只需很短的時間就能夠從最小電流上升到最大電流，因為電感器上的電壓處于最大值。放電時間將會相應延長，因為電感必須放電到一個相對較低的電壓值，”他指出，“但是，隨著電容內電荷的增加，電壓差將會下降——增大上升時間——電容電壓將會升高，縮短放電時間。”

　　Curtis指出，開關頻率取決于“采用兩個比較器和一個SR觸發器的張弛振蕩器，555-timer-style系統”，因此，電感器的元件值決定該頻率的大小。

　　然后，Curtis采用類似的邏輯實現了一種開關式的升壓電路，用于將電容的輸出電壓轉換為一個合理的恒定負載電壓。最終，Curtis實現了一種降壓/升壓充-放電的組合電路，其中采用一個開關MOSFET取代了充電電路中的回掃二極管(如圖6b所示)，采用一個PIC微控制器實現控制功能以及大部分必需的外設功能。

　　Microchip與以業余無線電衛星研發為目標的非營利性私有機構AMSAT-NA開展了項目合作。AMSAT的下一個大型項目——Eagle衛星，計劃于2009年3月發射。為了確保Eagle能夠連續工作幾十年，其電源系統將在這項工作的基礎上，將太陽能電池板、鋰離子電池和超電容集成到一套電源系統中，實現每種元件的優化使用。