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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。 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。 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。 2 硬件系統設計 本設計擬對Maxwell公司的產(chǎn)品BMOD0165(額定電壓為48 V，額定容值為165 F)超級電容模組進(jìn)行充電，系統結構如圖3所示。硬件系統由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測反饋電路及保護電路等部分組成。系統首先將單相220 V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流電壓，然后通過(guò)雙管正激變換器實(shí)現降壓，并在電氣上實(shí)現輸入輸出的隔離。引入電流反饋環(huán)節，通過(guò)峰值電流控制實(shí)現恒功率充電。 2.1 雙管正激電路 雙管正激電路是一種可靠的DC-DC電路，廣泛使用于低壓大電流場(chǎng)合中，雙管正激拓撲如圖4所示。如果電路工作在CCM方式，假定MOS開(kāi)關(guān)管Q1、Q2漏源電容電壓為零，則漏源電壓就能瞬時(shí)變化。如圖5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管柵源驅動(dòng)信號，兩者時(shí)序相同，即Q1、Q2同時(shí)開(kāi)通、同時(shí)關(guān)斷。 t0"t1：t0時(shí)刻，Q1、Q2同時(shí)開(kāi)通，變壓器T1原邊電壓為直流母線(xiàn)電壓Vdcin，設變比為1：n，則副邊電壓為Vdcin×n，電壓極性不變。輸出電流線(xiàn)性增大，經(jīng)過(guò)副邊整流管D3、扼流圈后進(jìn)入超級電容。扼流圈存儲能量，此時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流is1、is2由副邊反射電流和勵磁電流組成，且線(xiàn)性增大。 t1"t2：Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷，變壓器T1原邊電流經(jīng)過(guò)原邊續流二極管D1、D2進(jìn)入母線(xiàn)，變壓器磁芯復位，此時(shí)變壓器主側電壓為-Vdcin，則副邊電壓為-Vdcin×n，電壓極性不變。Q1、Q2開(kāi)關(guān)管漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin。此時(shí)，副邊整流管D3截止，扼流圈電流通過(guò)續流管D4續流，輸出電流線(xiàn)性減小，進(jìn)入超級電容。扼流圈釋放能量，此時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流is1、is2減小到0。 t2"t3：t2時(shí)刻，原邊續流管關(guān)斷，續流結束，變壓器磁芯復位，變壓器T1原邊電壓為零。此時(shí)，Q1、Q2漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin/2。副邊續流仍繼續，t3時(shí)刻續流副邊續流結束，下一個(gè)驅動(dòng)高電平到來(lái)，開(kāi)關(guān)管Q1、Q2開(kāi)通。進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。 2.2 電流電壓雙閉環(huán)控制回路 本設計中采用雙閉環(huán)的結構實(shí)現充電電流和充電電壓的控制，使用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能電流型PWM控制器，其內部結構如圖6所示；內部有一個(gè)誤差放大器和電流放大器可以方便地組建電流電壓雙閉環(huán)，在實(shí)際使用中，為了具有更快的響應速度，可略去誤差放大器，使用電壓調整器TL431和光耦PC817構成電壓反饋。電流環(huán)通過(guò)使用LEM公司的電流傳感器LAH 25-NP來(lái)組建。 雙閉環(huán)電路原理圖如圖7所示，Vs是來(lái)自L(fǎng)EM霍爾電流傳感器LAH 25-NP輸出的電壓測量信號，通過(guò)一階濾波環(huán)節后進(jìn)入電流反饋端，即圖中電流比較器的負端。VO 48 V來(lái)自功率部分的輸出，由于TL431最大只能穩壓到36 V，故需要對經(jīng)典TL431穩壓電路進(jìn)行部分修改，以滿(mǎn)足48 V穩壓要求。在TL431的3腳(即K極)引入24 V穩壓管D4_Z1，TL431的端電壓約為24 V，從而可在安全工作區內正常穩壓工作。PC817實(shí)現電氣上的隔離，并通過(guò)輸出電壓Vce穩壓。當超級電容電壓接近48 V時(shí)，PC817輸出電流Ic增大，則Vce減小，同時(shí)進(jìn)入UC3844補償端1腳的信號減小，相應輸出PWM占空比也減��；當超級電容電壓超過(guò)48 V時(shí)，UC3844補償端1腳拉低，PWM關(guān)斷，起到過(guò)壓保護的作用。 3 整機調試 實(shí)驗設計了最大功率為1 kW的超級電容充電樣機，實(shí)驗測試表明，對BMOD0165(額定48 V、165 F)超級電容模組充電時(shí)間約為5 min。圖8為電路中的關(guān)鍵工作波形，其電壓為30 V、充電電流約為10 A的充電波形。從上至下依次是Vds、Vpri、PWM信號和開(kāi)關(guān)管峰值電流波形。由于緩沖電路的作用，使得波形干凈無(wú)雜波，基本沒(méi)有電壓尖峰。Vpri負電壓有一定變形，但是不影響電路性能。 本文研究了超級電容的充放電特性，分析了快速充電的方法，設計并實(shí)現了快速充電樣機，試驗表明充電時(shí)間短，達到了應用要求。 |
