摘? 要：?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(xiàn)快速充電。根據(jù)恒功率充電原理，制作了快速充電樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明該樣機(jī)電路穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電要求，具有良好的實(shí)用前景。
傳統(tǒng)蓄電池電源系統(tǒng)的電池記憶效應(yīng)差、容量下降及充電時間過長是長久以來一直存在的問題，而這些問題可使用超級電容來解決。超級電容是一種極大程度上模擬了電容的電壓特性曲線且具有非常高的容值的新型能源器件，目前已有萬法拉級的超級電容單體。超級電容無充放電記憶效應(yīng)，允許上百萬次充放電而不會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(yuǎn)超過當(dāng)前最好的電池。低ESR和幾乎沒有電流限制的特性使得超級電容對充電系統(tǒng)表現(xiàn)出“假短路”，這給系統(tǒng)集成帶來了挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，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(tǒng)(如傳動系統(tǒng)的動態(tài)剎車)非常有用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論分析
由于RC時間常數(shù)太大，線性穩(wěn)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，使得開關(guān)模式充電電路的運(yùn)行穩(wěn)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(xiàn)[1]比較了不同應(yīng)用場合下的不同的超級電容模型。由于本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)超級電容充電機(jī)，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。
超級電容的電壓時間特性曲線由容性和阻性兩部分組成。容性部分代表了超級電容能量改變導(dǎo)致的電壓改變；阻性部分代表了超級電容ESR導(dǎo)致的電壓改變。
容性部分由下列方程式?jīng)Q定：
電容模組進(jìn)行充電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件系統(tǒng)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(hù)電路等部分組成。系統(tǒng)首先將單相220 V交流電經(jīng)過整流濾波后得到直流電壓，然后通過雙管正激變換器實(shí)現(xiàn)降壓，并在電氣上實(shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離。引入電流反饋環(huán)節(jié)，通過峰值電流控制實(shí)現(xiàn)恒功率充電。
一種新型恒功率超級電容器快速充電機(jī)設(shè)計(jì) (2)
2010-11-22 19:00:20???作者：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)與工程系???來源:電子技術(shù)應(yīng)用 ??
關(guān)鍵字：UC3844A；雙管正激；電壓環(huán)；電流環(huán)；隔離驅(qū)動
t0~t1：t0時刻，Q1、Q2同時開通，變壓器T1原邊電壓為直流母線電壓Vdcin，設(shè)變比為1：n，則副邊電壓為Vdcin×n，電壓極性不變。輸出電流線性增大，經(jīng)過副邊整流管D3、扼流圈后進(jìn)入超級電容。扼流圈存儲能量，此時，開關(guān)管電流is1、is2由副邊反射電流和勵磁電流組成，且線性增大。
t1~t2：Q1、Q2同時關(guān)斷，變壓器T1原邊電流經(jīng)過原邊續(xù)流二極管D1、D2進(jìn)入母線，變壓器磁芯復(fù)位，此時變壓器主側(cè)電壓為-Vdcin，則副邊電壓為-Vdcin×n，電壓極性不變。Q1、Q2開關(guān)管漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin。此時，副邊整流管D3截止，扼流圈電流通過續(xù)流管D4續(xù)流，輸出電流線性減小，進(jìn)入超級電容。扼流圈釋放能量，此時，開關(guān)管電流is1、is2減小到0。
t2~t3：t2時刻，原邊續(xù)流管關(guān)斷，續(xù)流結(jié)束，變壓器磁芯復(fù)位，變壓器T1原邊電壓為零。此時，Q1、Q2漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin/2。副邊續(xù)流仍繼續(xù)，t3時刻續(xù)流副邊續(xù)流結(jié)束，下一個驅(qū)動高電平到來，開關(guān)管Q1、Q2開通。進(jìn)入下一個開關(guān)周期。
2.2 電流電壓雙閉環(huán)控制回路
本設(shè)計(jì)中采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示；內(nèi)部有一個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(yīng)速度，可略去誤差放大器，使用電壓調(diào)整器TL431和光耦PC817構(gòu)成電壓反饋。電流環(huán)通過使用LEM公司的電流傳感器LAH 25-NP來組建。
電容的充放電特性，分析了快速充電的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了快速充電樣機(jī)，試驗(yàn)表明充電時間短，達(dá)到了應(yīng)用要求。
參考文獻(xiàn)
[1] SHI L，CROW M L.Power and energy society general? meeting-conversion and delivery of electrical energy in the? 21st century[C]，2008.
[2] Maxwell technologies.Charging of ultracapacitors[C].Technical Note-Document #1008981 Rev 1 Maxwell Technologies，2005.
[3] EDELSON R.Charging ultra-capacitorswith current-fed roger edelson.power supplies[C].MSEE，Power Partners，2005.
[4] ROBERT W.Erickson dragan maksimovic fundmentals of? power electronics[C].Sencond Edition Kluwer Acdemic Publishers New Yourk，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2001.
[5] MUHAMMAND H.電力電子學(xué)-電路、器件及應(yīng)用(英文版，第三版)[M].北京：人民郵電出版社，2007.
