超級電容快速初充電電路研究

　　超級電容具有功率密度高，充放電時間端，循環壽命長，工作溫度范圍寬等顯著的優點，適合應用在大功率能量流動的場合。超級電容容值通常達到幾千法拉，但是可耐受的電壓低，在實際使用時必須大量串聯使用[1]。同時，超級電容自漏電速率大大超過鋰電池等傳統的化學儲能元件，無法長期保存能量，這要求超級電容在初次使用，或者長期靜置再次投入電氣設備使用之前需要進行快速的初充電，使超級電容內部維持一定的能量[2]。

　　超級電容快速初充電與電池充電技術有很大的不同，電池制造完成后，內部存儲有一定的化學能，電　池端壓隨著電池內部能量的儲存和釋放只在較窄的范圍內變化[3]。而超級電容的儲能方式為電場儲能，能量以電荷的形式存儲的電容器內部，因此在充電前期存在短路狀態，且會存在長時間接近短路充電狀態。針對這種長時間的短路充電狀態，必須要對充電電流進行限制，否則會引起短時間大電流沖擊，對充電電路造成不可恢復的損壞。同時，超級電容內部等效串聯電阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)造成的發熱問題限制了超級電容的充放電電流，大電流沖擊也會對超級電容性能造成影響。充電電流的紋波也是造成超級電容發熱的原因之一，因此，超級電容快速充電技術要求對充電電流的紋波進行限制，減小超級電容的發熱，同時可以減少損耗，提高效率[4]。超級電容組的容值從幾十法拉到幾百法拉之間，將合適的能量在一定的時間內存儲在超級電容組內，超級電容快速充電需要保持基本不變的充電電流，使整個充電過程中超級電容電壓上升速度比較均勻[5][6]。

　　本文研究了一種基于反激變換器的快速充電電路

　　[1]，對該電路工作原理、設計過程進行了詳細的分析，設計了實驗電路，對電路原理和性能進行了實驗驗證。

　　2 快充電路工作原理

　　圖 1 為基于反激變換器的超級電容快速充電電路拓撲及控制框圖。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯在原邊的開關器件，副邊續流二極管，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測及控制 PWM 信號產生電路。與傳統的反激電路相比，該超級電容快速充電電路去除了輸入端濾波電解電容，增加了電路的可靠性;將電流檢測電阻改為磁耦合檢測，降低損耗，并且可以同時檢測變壓器原邊和副邊電流，用以限制副邊充電電流;副邊電壓隔離檢測，用以控制超級電容充電截至電壓。主電路工作原理基本上與反激電路原理類似，但是控制電路結合超級電容初充電特性進行了設計，以滿足超級電容初次充電時長時間短路限流充電的要求。

　　圖 2 中 A 為電流檢測(Current Sensor)波形。用與變壓器相同的比例檢測原邊電流和變壓器副邊電流，由于變壓器原副邊與匝比成反比，檢測電流成為連續的電流波形。電壓比較器(Voltage Comparator)，將檢測電流值與限幅值 Limit1 比較，當原邊電流值>=限幅值 Limit1 時，產生信號 B，以產生驅動信號關斷功率管。功率管關斷，原邊電流耦合至變壓器副邊繞組，副邊等效電路如圖 3 所示。副邊電感 L2將能量釋放至超級電容中，當副邊電流下降至某一電流值，電流檢測(Current Sensor)輸出值下降至限幅值 Limit2時，產生信號 C，以產生開通驅動信號，功率管開通，副邊二極管阻斷，輸入電壓 Vin加在原邊電感兩端，電感電流上升，當電流值再次上升至限幅值 Limit1 時，關斷功率管，依此邏輯進行控制。副邊超級電容在功率管關斷時進行充電。在充電開始階段，超級電容電壓很低，變壓器副邊電流下降緩慢，開關頻率很低(通常低至數百赫茲)，如圖 2 第一階段所示。隨著超級電容電容電壓的上升，副邊電流下降速度加快，開關頻率增加，如圖 2 第二階段所示。當超級電容電壓增加至充電截止電壓時，此時開關頻率最高(通常設計為初始頻率的 10~20 倍)。通過限幅值的設計，可以對工作頻率范圍進行調整。與傳統的反激電路不同，該電路不需要頻率發生器，整個充電過程中，工作頻率自動調整。

　　由于超級電容電壓的升高，快速充電電路工作頻率增加，增加速率近似為線性變化。輸出電流平均值隨著超級電容電壓升高及工作頻率的增加會有所下降，但是通過合理的設計可以使輸出電流 IC變化范圍控制在 5%以內，可以看作為近似的恒流充電。根據超級電容充電特性

　　也可以看作為線性增加。整個超級電容快速充電過程為平滑變化的曲線。通常超級電容組模塊電壓為 24V 或者 48V，容值為 30F~165F。因此設計超級電容快速充電電路，設計指標可以按照 48V，165F超級電容組為對象進行設計。

　　2.2 控制電路工作原理

　　控制電路通過同時采樣變壓器原邊電流 IL1和副邊電流 IL2，將采樣電流與上限幅值 Limit1 與下限幅值Limit2 比較，通過控制開關管的開通和關斷，將電流控制在上下限幅之間。圖 4 為輸入電壓波形與電流采樣波形圖。

　　素提高，當 Limit2=0V 時，可以達到輸入電流最高功率因素。

　　3.快速充電電路設計

　　超級電容快速充電部分分為控制電路邏輯設計和主功率部分參數設計。按照上一節所述控制電路邏輯控制部分由于沒有現成的控制芯片可以采用，因此采用分離的通用集成芯片即可實現控制部分的設計。

　　3.1 控制電路

　　如果在整流輸出側接入電解電容，可以得到穩定的直流輸入電壓。由于鋁電解電容可能存在失效問題，以及壽命限制，使電路穩定性及工作壽命受到一定的影響，因此在快速充電電路中避免使用輸入鋁電解電容。將經過整流之后的脈動直流電壓，作為上限幅值Limit1 的參照，使輸入電流跟隨輸入電壓的波動調整，可以提高輸入功率因數。若將下限幅值 Limit2 設置為0，可使功率因數得到進一步的提高，但會增加輸出電流紋波量。

　　控制電路原理圖如圖 5 所示。控制電路由運算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發芯片 CD4043等構成。采用與變壓器相同匝比的互感器進行電流檢測，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測信號經過 LM358 調理后與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進行比較。二個比較器的輸出經過觸發器 RS4043 鎖存后作為 MOSFET 管驅動信號。輸出側電壓檢測作為充電終止信號，控制 CD4043 使能端。

　　設計指標:

　　充電對象：165F 48V 超級電容組

　　快充要求：

　　充電時間 <20min

　　輸入電壓 220Vac

　　輸出電壓 0~24V

　　功率等級 <250W

　　電流紋波 <50%

　　3.2 功率電路

　　根據上述分析可以歸納出超級電容快速充電器的設計步驟為：首先根據超級電容所需要充電的能量，以及充電時間，預估快速充電電路功率等級 Po;根據超級電容對充電紋波電流的限制，計算出開關管工作頻率 fsw及開關管開通時間 ton，同時確定檢測比例 ki、kv和限幅 Limit2 電壓值 Vref;由檢測比例 kv、ki與 ton，計算變壓器原邊電感量 L1;根據超級電容最終充電截止電壓，結合功率 MOSFET 管耐壓，合理地確定變壓器變比 N;根據以上確定的參數循環迭代計算快充充電時間，并校核快充的工作頻率及工作功率。如果頻率與功率設計不合理，需要重新循環計算。通過應用數學計算工具 MathCAD 編程可進行循環數值計算，可以計算出在充電整個過程中開關頻率的變化。

　　4.實驗驗證

　　為了驗證該電路工作情況和設計方法的正確性，根據設計結果搭建了試驗平臺，對電路原理進行了驗證。在 220Vac 輸入下為 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超級電容組進行充電，圖 7 為開關管 DS 端電壓和電流檢測波形。

　　由圖 7 可以看出，檢測變壓器原副邊電流作為開關管開通和關斷信號，可實現恒流充電的要求，同時限幅值 Limit1 跟隨電網電壓變化，可以提高功率因數。圖 8 為限幅值 Limit1 跟隨電網電壓變化，電流互感器輸出的包絡線與電網正弦波一致。

　　5.結論

　　超級電容在初期使用或者長期靜置后，自身存儲能量為 0。在將超級電容投入電氣設備中使用前，需要對超級電容進行快速充電。本文介紹的超級電容快速充電電路可以適應超級電容初充電時存在的長時間短路要求，并且該電路具有恒流充電、控制簡單、輸入功率因數高、低成本等優點。

　　參考文獻

　　[1] Maxwell Technologies,Inc.，“Switching Power Supply”[p] United Stated Patent：US 6,912,136, B2 ， Jun.2，2005

　　[2] Dellalay,S.;Barrade,P.;Rufer,A..“Design Considerationsfor the fast Charge of supercapaciors in the frame of lowvoltage applications. ” [C],In:Power Electronics andApplications(EPE2011),Proceedingof2011-14thEuropean Conference on 12 December 2011:1-5

　　[3] Monteiro,J.; Garrido,N.; Fonseca,R. “An experimentalstudy of an efficient supercapacitor stacking scheme topower mobile phones.”[C] In: TelecommunicationsEnergyConference(INTELEC),2011IEEE33rdInternational,12 December 2011:1-5

　　[4] Barrade,P.; “Energy storage and applications withsupercapacitors”, Associazione Nazionale AzionamentiElettrici, 14o Seminario Interattivo, Azionamenti elettrici :Evoluzione Tecnologica eProblematiche Emergenti,2003.

　　[5] Deg Freige,M.; Ross,M.; Joos,G.;Dubois,M.; “Power &energy ratings optimization in a fast-charging station forPHEV batteries”,In: Electric Machines & DrivesConference (IEMDC), 2011 IEEE International,15-18May 2011:486-489.

　　[6] Bouscayrol,A.; Lhomme,W.; Demian,C.; Allè;gre,A.L.;Chattot,E.; El Fassi,S. “Experimental set-up to test thepower transfer of an innovative subway usingsupercapacitors”[C],In:Vehicle Power and PropulsionConference (VPPC), 2010 IEEE,10 March 2011:1-6

　　作者介紹：

　　王成 (1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向，功率電 子 變 換 技 術 和 超 級 電 容 儲 能 系 統 ，wii1225520@gmail.com;謝少軍(1968-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為功率電子變換技術和可持續能源發電技術;丁予(1990-)男，碩士研究生，主要研究方向，功率電子變換技術 DVR 技術。