超级电容快速初充电电路研究

　　1 引言

　　超级电容具有功率密度高，充放电时间端，循环寿命长，工作温度范围宽等显著的优点，适合应用在大功率能量流动的场合。超级电容容值通常达到几千法拉，但是可耐受的电压低，在实际使用时必须大量串联使用[1]。同时，超级电容自漏电速率大大超过锂电池等传统的化学储能元件，无法长期保存能量，这要求超级电容在初次使用，或者长期静置再次投入电气设备使用之前需要进行快速的初充电，使超级电容内部维持一定的能量[2]。

　　超级电容快速初充电与电池充电技术有很大的不同，电池制造完成后，内部存储有一定的化学能，电　池端压随着电池内部能量的储存和释放只在较窄的范围内变化[3]。而超级电容的储能方式为电场储能，能量以电荷的形式存储的电容器内部，因此在充电前期存在短路状态，且会存在长时间接近短路充电状态。针对这种长时间的短路充电状态，必须要对充电电流进行限制，否则会引起短时间大电流冲击，对充电电路造成不可恢复的损坏。同时，超级电容内部等效串联电阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)造成的发热问题限制了超级电容的充放电电流，大电流冲击也会对超级电容性能造成影响。充电电流的纹波也是造成超级电容发热的原因之一，因此，超级电容快速充电技术要求对充电电流的纹波进行限制，减小超级电容的发热，同时可以减少损耗，提高效率[4]。超级电容组的容值从几十法拉到几百法拉之间，将合适的能量在一定的时间内存储在超级电容组内，超级电容快速充电需要保持基本不变的充电电流，使整个充电过程中超级电容电压上升速度比较均匀[5][6]。

　　本文研究了一种基于反激变换器的快速充电电路

　　[1]，对该电路工作原理、设计过程进行了详细的分析，设计了实验电路，对电路原理和性能进行了实验验证。

　　2 快充电路工作原理

　　图 1 为基于反激变换器的超级电容快速充电电路拓扑及控制框图。包括输入整流桥，反激变压器，串联在原边的开关器件，副边续流二极管，电流传感器，副边隔离电压检测及控制 PWM 信号产生电路。与传统的反激电路相比，该超级电容快速充电电路去除了输入端滤波电解电容，增加了电路的可靠性;将电流检测电阻改为磁耦合检测，降低损耗，并且可以同时检测变压器原边和副边电流，用以限制副边充电电流;副边电压隔离检测，用以控制超级电容充电截至电压。主电路工作原理基本上与反激电路原理类似，但是控制电路结合超级电容初充电特性进行了设计，以满足超级电容初次充电时长时间短路限流充电的要求。

　　图 2 中 A 为电流检测(Current Sensor)波形。用与变压器相同的比例检测原边电流和变压器副边电流，由于变压器原副边与匝比成反比，检测电流成为连续的电流波形。电压比较器(Voltage Comparator)，将检测电流值与限幅值 Limit1 比较，当原边电流值>=限幅值 Limit1 时，产生信号 B，以产生驱动信号关断功率管。功率管关断，原边电流耦合至变压器副边绕组，副边等效电路如图 3 所示。副边电感 L2将能量释放至超级电容中，当副边电流下降至某一电流值，电流检测(Current Sensor)输出值下降至限幅值 Limit2时，产生信号 C，以产生开通驱动信号，功率管开通，副边二极管阻断，输入电压 Vin加在原边电感两端，电感电流上升，当电流值再次上升至限幅值 Limit1 时，关断功率管，依此逻辑进行控制。副边超级电容在功率管关断时进行充电。在充电开始阶段，超级电容电压很低，变压器副边电流下降缓慢，开关频率很低(通常低至数百赫兹)，如图 2 第一阶段所示。随着超级电容电容电压的上升，副边电流下降速度加快，开关频率增加，如图 2 第二阶段所示。当超级电容电压增加至充电截止电压时，此时开关频率最高(通常设计为初始频率的 10~20 倍)。通过限幅值的设计，可以对工作频率范围进行调整。与传统的反激电路不同，该电路不需要频率发生器，整个充电过程中，工作频率自动调整。

　　由于超级电容电压的升高，快速充电电路工作频率增加，增加速率近似为线性变化。输出电流平均值随着超级电容电压升高及工作频率的增加会有所下降，但是通过合理的设计可以使输出电流 IC变化范围控制在 5%以内，可以看作为近似的恒流充电。根据超级电容充电特性

　　也可以看作为线性增加。整个超级电容快速充电过程为平滑变化的曲线。通常超级电容组模块电压为 24V 或者 48V，容值为 30F~165F。因此设计超级电容快速充电电路，设计指标可以按照 48V，165F超级电容组为对象进行设计。

　　2.2 控制电路工作原理

　　控制电路通过同时采样变压器原边电流 IL1和副边电流 IL2，将采样电流与上限幅值 Limit1 与下限幅值Limit2 比较，通过控制开关管的开通和关断，将电流控制在上下限幅之间。图 4 为输入电压波形与电流采样波形图。

　　素提高，当 Limit2=0V 时，可以达到输入电流最高功率因素。

　　3.快速充电电路设计

　　超级电容快速充电部分分为控制电路逻辑设计和主功率部分参数设计。按照上一节所述控制电路逻辑控制部分由于没有现成的控制芯片可以采用，因此采用分离的通用集成芯片即可实现控制部分的设计。

　　3.1 控制电路

　　如果在整流输出侧接入电解电容，可以得到稳定的直流输入电压。由于铝电解电容可能存在失效问题，以及寿命限制，使电路稳定性及工作寿命受到一定的影响，因此在快速充电电路中避免使用输入铝电解电容。将经过整流之后的脉动直流电压，作为上限幅值Limit1 的参照，使输入电流跟随输入电压的波动调整，可以提高输入功率因数。若将下限幅值 Limit2 设置为0，可使功率因数得到进一步的提高，但会增加输出电流纹波量。

　　控制电路原理图如图 5 所示。控制电路由运算放大器 LM358、比较器 LM393 和 RS 触发芯片 CD4043等构成。采用与变压器相同匝比的互感器进行电流检测，互感器的同名端与反激变压器一致。电流检测信号经过 LM358 调理后与电流限幅值 Limit1 与 Limit2进行比较。二个比较器的输出经过触发器 RS4043 锁存后作为 MOSFET 管驱动信号。输出侧电压检测作为充电终止信号，控制 CD4043 使能端。

　　设计指标:

　　充电对象：165F 48V 超级电容组

　　快充要求：

　　充电时间 <20min

　　输入电压 220Vac

　　输出电压 0~24V

　　功率等级 <250W

　　电流纹波 <50%

　　3.2 功率电路

　　根据上述分析可以归纳出超级电容快速充电器的设计步骤为：首先根据超级电容所需要充电的能量，以及充电时间，预估快速充电电路功率等级 Po;根据超级电容对充电纹波电流的限制，计算出开关管工作频率 fsw及开关管开通时间 ton，同时确定检测比例 ki、kv和限幅 Limit2 电压值 Vref;由检测比例 kv、ki与 ton，计算变压器原边电感量 L1;根据超级电容最终充电截止电压，结合功率 MOSFET 管耐压，合理地确定变压器变比 N;根据以上确定的参数循环迭代计算快充充电时间，并校核快充的工作频率及工作功率。如果频率与功率设计不合理，需要重新循环计算。通过应用数学计算工具 MathCAD 编程可进行循环数值计算，可以计算出在充电整个过程中开关频率的变化。

　　4.实验验证

　　为了验证该电路工作情况和设计方法的正确性，根据设计结果搭建了试验平台，对电路原理进行了验证。在 220Vac 输入下为 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超级电容组进行充电，图 7 为开关管 DS 端电压和电流检测波形。

　　由图 7 可以看出，检测变压器原副边电流作为开关管开通和关断信号，可实现恒流充电的要求，同时限幅值 Limit1 跟随电网电压变化，可以提高功率因数。图 8 为限幅值 Limit1 跟随电网电压变化，电流互感器输出的包络线与电网正弦波一致。

　　5.结论

　　超级电容在初期使用或者长期静置后，自身存储能量为 0。在将超级电容投入电气设备中使用前，需要对超级电容进行快速充电。本文介绍的超级电容快速充电电路可以适应超级电容初充电时存在的长时间短路要求，并且该电路具有恒流充电、控制简单、输入功率因数高、低成本等优点。

　　参考文献

　　[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

　　作者介绍：

　　王成 (1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向，功率电 子 变 换 技 术 和 超 级 电 容 储 能 系 统 ，wii1225520@gmail.com;谢少军(1968-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为功率电子变换技术和可持续能源发电技术;丁予(1990-)男，硕士研究生，主要研究方向，功率电子变换技术 DVR 技术。