超級(jí)電容具有功率密度高，充放電時(shí)間端，循環(huán)壽命長(zhǎng)，工作溫度范圍寬等顯著的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在大功率能量流動(dòng)的場(chǎng)合。超級(jí)電容容值通常達(dá)到幾千法拉，但是可耐受的電壓低，在實(shí)際使用時(shí)必須大量串聯(lián)使用[1]。同時(shí)，超級(jí)電容自漏電速率大大超過(guò)鋰電池等傳統(tǒng)的化學(xué)儲(chǔ)能元件，無(wú)法長(zhǎng)期保存能量，這要求超級(jí)電容在初次使用，或者長(zhǎng)期靜置再次投入電氣設(shè)備使用之前需要進(jìn)行快速的初充電，使超級(jí)電容內(nèi)部維持一定的能量[2]。

　　超級(jí)電容快速初充電與電池充電技術(shù)有很大的不同，電池制造完成后，內(nèi)部存儲(chǔ)有一定的化學(xué)能，電　池端壓隨著電池內(nèi)部能量的儲(chǔ)存和釋放只在較窄的范圍內(nèi)變化[3]。而超級(jí)電容的儲(chǔ)能方式為電場(chǎng)儲(chǔ)能，能量以電荷的形式存儲(chǔ)的電容器內(nèi)部，因此在充電前期存在短路狀態(tài)，且會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間接近短路充電狀態(tài)。針對(duì)這種長(zhǎng)時(shí)間的短路充電狀態(tài)，必須要對(duì)充電電流進(jìn)行限制，否則會(huì)引起短時(shí)間大電流沖擊，對(duì)充電電路造成不可恢復(fù)的損壞。同時(shí)，超級(jí)電容內(nèi)部等效串聯(lián)電阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)造成的發(fā)熱問(wèn)題限制了超級(jí)電容的充放電電流，大電流沖擊也會(huì)對(duì)超級(jí)電容性能造成影響。充電電流的紋波也是造成超級(jí)電容發(fā)熱的原因之一，因此，超級(jí)電容快速充電技術(shù)要求對(duì)充電電流的紋波進(jìn)行限制，減小超級(jí)電容的發(fā)熱，同時(shí)可以減少損耗，提高效率[4]。超級(jí)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(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)在超級(jí)電容組內(nèi)，超級(jí)電容快速充電需要保持基本不變的充電電流，使整個(gè)充電過(guò)程中超級(jí)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(duì)該電路工作原理、設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)電路原理和性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　2 快充電路工作原理

　　圖 1 為基于反激變換器的超級(jí)電容快速充電電路拓?fù)?/strong>及控制框圖。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯(lián)在原邊的開(kāi)關(guān)器件，副邊續(xù)流二極管，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測(cè)及控制 PWM 信號(hào)產(chǎn)生電路。與傳統(tǒng)的反激電路相比，該超級(jí)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(cè)電阻改為磁耦合檢測(cè)，降低損耗，并且可以同時(shí)檢測(cè)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(cè)，用以控制超級(jí)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(lèi)似，但是控制電路結(jié)合超級(jí)電容初充電特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足超級(jí)電容初次充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)間短路限流充電的要求。

　　圖 2 中 A 為電流檢測(cè)(Current Sensor)波形。用與變壓器相同的比例檢測(cè)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(cè)電流成為連續(xù)的電流波形。電壓比較器(Voltage Comparator)，將檢測(cè)電流值與限幅值 Limit1 比較，當(dāng)原邊電流值>=限幅值 Limit1 時(shí)，產(chǎn)生信號(hào) B，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷功率管。功率管關(guān)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(jí)電容中，當(dāng)副邊電流下降至某一電流值，電流檢測(cè)(Current Sensor)輸出值下降至限幅值 Limit2時(shí)，產(chǎn)生信號(hào) C，以產(chǎn)生開(kāi)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，功率管開(kāi)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(dāng)電流值再次上升至限幅值 Limit1 時(shí)，關(guān)斷功率管，依此邏輯進(jìn)行控制。副邊超級(jí)電容在功率管關(guān)斷時(shí)進(jìn)行充電。在充電開(kāi)始階段，超級(jí)電容電壓很低，變壓器副邊電流下降緩慢，開(kāi)關(guān)頻率很低(通常低至數(shù)百赫茲)，如圖 2 第一階段所示。隨著超級(jí)電容電容電壓的上升，副邊電流下降速度加快，開(kāi)關(guān)頻率增加，如圖 2 第二階段所示。當(dāng)超級(jí)電容電壓增加至充電截止電壓時(shí)，此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率最高(通常設(shè)計(jì)為初始頻率的 10~20 倍)。通過(guò)限幅值的設(shè)計(jì)，可以對(duì)工作頻率范圍進(jìn)行調(diào)整。與傳統(tǒng)的反激電路不同，該電路不需要頻率發(fā)生器，整個(gè)充電過(guò)程中，工作頻率自動(dòng)調(diào)整。

　　由于超級(jí)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(xiàn)性變化。輸出電流平均值隨著超級(jí)電容電壓升高及工作頻率的增加會(huì)有所下降，但是通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以使輸出電流 IC變化范圍控制在 5%以?xún)?nèi)，可以看作為近似的恒流充電。根據(jù)超級(jí)電容充電特性

　　也可以看作為線(xiàn)性增加。整個(gè)超級(jí)電容快速充電過(guò)程為平滑變化的曲線(xiàn)。通常超級(jí)電容組模塊電壓為 24V 或者 48V，容值為 30F~165F。因此設(shè)計(jì)超級(jí)電容快速充電電路，設(shè)計(jì)指標(biāo)可以按照 48V，165F超級(jí)電容組為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　2.2 控制電路工作原理

　　控制電路通過(guò)同時(shí)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(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)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(dāng) Limit2=0V 時(shí)，可以達(dá)到輸入電流最高功率因素。

　　3.快速充電電路設(shè)計(jì)

　　超級(jí)電容快速充電部分分為控制電路邏輯設(shè)計(jì)和主功率部分參數(shù)設(shè)計(jì)。按照上一節(jié)所述控制電路邏輯控制部分由于沒(méi)有現(xiàn)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(shí)現(xiàn)控制部分的設(shè)計(jì)。

　　3.1 控制電路

　　如果在整流輸出側(cè)接入電解電容，可以得到穩(wěn)定的直流輸入電壓。由于鋁電解電容可能存在失效問(wèn)題，以及壽命限制，使電路穩(wěn)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(jīng)過(guò)整流之后的脈動(dòng)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(dòng)調(diào)整，可以提高輸入功率因數(shù)。若將下限幅值 Limit2 設(shè)置為0，可使功率因數(shù)得到進(jìn)一步的提高，但會(huì)增加輸出電流紋波量。

　　控制電路原理圖如圖 5 所示?？刂齐娐酚?strong>運(yùn)算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發(fā)芯片 CD4043等構(gòu)成。采用與變壓器相同匝比的互感器進(jìn)行電流檢測(cè)，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò) LM358 調(diào)理后與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進(jìn)行比較。二個(gè)比較器的輸出經(jīng)過(guò)觸發(fā)器 RS4043 鎖存后作為 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸出側(cè)電壓檢測(cè)作為充電終止信號(hào)，控制 CD4043 使能端。

　　設(shè)計(jì)指標(biāo):

　　充電對(duì)象：165F 48V 超級(jí)電容組

　　快充要求：

　　充電時(shí)間 <20min

　　輸入電壓 220Vac

　　輸出電壓 0~24V

　　功率等級(jí) <250W

　　電流紋波 <50%

　　3.2 功率電路

　　根據(jù)上述分析可以歸納出超級(jí)電容快速充電器的設(shè)計(jì)步驟為：首先根據(jù)超級(jí)電容所需要充電的能量，以及充電時(shí)間，預(yù)估快速充電電路功率等級(jí) Po;根據(jù)超級(jí)電容對(duì)充電紋波電流的限制，計(jì)算出開(kāi)關(guān)管工作頻率 fsw及開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間 ton，同時(shí)確定檢測(cè)比例 ki、kv和限幅 Limit2 電壓值 Vref;由檢測(cè)比例 kv、ki與 ton，計(jì)算變壓器原邊電感量 L1;根據(jù)超級(jí)電容最終充電截止電壓，結(jié)合功率 MOSFET 管耐壓，合理地確定變壓器變比 N;根據(jù)以上確定的參數(shù)循環(huán)迭代計(jì)算快充充電時(shí)間，并校核快充的工作頻率及工作功率。如果頻率與功率設(shè)計(jì)不合理，需要重新循環(huán)計(jì)算。通過(guò)應(yīng)用數(shù)學(xué)計(jì)算工具 MathCAD 編程可進(jìn)行循環(huán)數(shù)值計(jì)算，可以計(jì)算出在充電整個(gè)過(guò)程中開(kāi)關(guān)頻率的變化。

　　4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證該電路工作情況和設(shè)計(jì)方法的正確性，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電路原理進(jìn)行了驗(yàn)證。在 220Vac 輸入下為 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超級(jí)電容組進(jìn)行充電，圖 7 為開(kāi)關(guān)管 DS 端電壓和電流檢測(cè)波形。

　　由圖 7 可以看出，檢測(cè)變壓器原副邊電流作為開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)恒流充電的要求，同時(shí)限幅值 Limit1 跟隨電網(wǎng)電壓變化，可以提高功率因數(shù)。圖 8 為限幅值 Limit1 跟隨電網(wǎng)電壓變化，電流互感器輸出的包絡(luò)線(xiàn)與電網(wǎng)正弦波一致。

　　5.結(jié)論

　　超級(jí)電容在初期使用或者長(zhǎng)期靜置后，自身存儲(chǔ)能量為 0。在將超級(jí)電容投入電氣設(shè)備中使用前，需要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行快速充電。本文介紹的超級(jí)電容快速充電電路可以適應(yīng)超級(jí)電容初充電時(shí)存在的長(zhǎng)時(shí)間短路要求，并且該電路具有恒流充電、控制簡(jiǎn)單、輸入功率因數(shù)高、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

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　　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(shù) 和 超 級(jí) 電 容 儲(chǔ) 能 系 統(tǒng) ，wii1225520@gmail.com;謝少軍(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣β孰娮幼儞Q技術(shù)和可持續(xù)能源發(fā)電技術(shù);丁予(1990-)男，碩士研究生，主要研究方向，功率電子變換技術(shù) DVR 技術(shù)。