麗水學院大學生創(chuàng)新實踐空間、江蘇國網(wǎng)自控科技股份有限公司的研究人員王野、姜萬東、葉佳虹、任洪錚、遲玉國，在2017年第5期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設計實現(xiàn)了一種新型超級電容模組充電電源及其控制方法。

　　其功能：1)針對目前各種超級電容模組對充電電壓，充電電流的不同需求問題，采用先恒流后恒壓的方式對超級電容模組進行充電，且充電電流和充電電壓可調(diào)節(jié);2)該充電電源及其控制方法可以提供對超級電容的熱保護，在充電過程中通過溫度傳感器監(jiān)測超級電容模組的絕對溫度和溫升情況，如果超級電容模組的絕對溫度過高或溫升過高，則會自動關(guān)斷充電過程。

　　超級電容器(Supercapacitors,ultracapacitor)，不同于傳統(tǒng)的化學電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次 [1]。

　　文獻[2-3]根據(jù)蓄電池的正負脈沖、充電電壓波動等特點，提出一種饋能式正負脈沖快速充電方法。文獻[4]提出利用一種基于電動汽車與能源互聯(lián)網(wǎng)的電容模組充電設計方法。文獻[5-7]指出利用化學方法實現(xiàn)超級電容單體的制備與性能優(yōu)化，可以提高電容的充電效率。文獻[8-10]介紹了超級電容模組的容量配置、能量管理以及壽命等影響因素，得出的結(jié)論對電容模組充電電源的設計有重要的意義。

　　超級電容器的儲能原理不同于蓄電池，其充放電過程的容量狀態(tài)有其自身的特點。超級電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。本設計方案主要分析恒流充電條件下的超級電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制最高電壓Umax，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。

　　采用這種充電方法的優(yōu)點是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級電容器內(nèi)部高溫而影響超級電容器的容量特性。

　　本文采用先進的微電子技術(shù)、MCU和電力電子技術(shù)，設計并實現(xiàn)了一種新型超級電容模組充電電源，包括可調(diào)節(jié)恒流充電和恒壓充電電路設計、恒流與恒壓轉(zhuǎn)換控制電路設計、高頻變壓器設計與選型及功率MOSFET選擇等。本項目設計可有效解決充電電壓不可調(diào)節(jié)的問題，同時采用充電電流可調(diào)節(jié)設計，可使電源適應不同廠家，不同容量的超級電容模組。

　　1 超級電容模組充電電源硬件電路的設計

　　超級電容模組充電電源框架圖如圖1所示，其主要分為6個部分組成。分別為：1)EMC處理電路;2)充電調(diào)節(jié)電路;3)充電控制電路;4)溫度采集電路;5)供電電源;6)狀態(tài)指示電路。

圖1 超級電容模組充電電源內(nèi)部/外部原理圖

　　1)EMC處理電路

　　該電路主要作用是對充電電源對共模干擾和差模干擾的進行抑制。對于共模干擾，使用了CY電容和共摸電感L進行抑制。對于差模干擾，采用了CX電容進行抑制。

　　2)充電調(diào)節(jié)電路

　　調(diào)節(jié)電路主要是對充電電流調(diào)節(jié)和充電電壓進行調(diào)整。調(diào)整電路采用可調(diào)電位器進行調(diào)整，調(diào)整后的分壓分為ADC_I和ADC_U，兩個電壓進入到微控制器中的內(nèi)部ADC中。程序?qū)蓚€分壓電壓進行采樣得到相對應的充電電流設定值和充電電壓設定值。

　　3)充電控制電路

　　控制部分主要由MOSFET電力管Q和高頻變頻器T以及相對應的方波發(fā)生器及電壓比較器等構(gòu)成。電阻R1，R2對直流輸出電壓進行采樣與微控制器PWM1輸出的電壓設置信號進行比較，如果直流輸出電壓超過電壓設定值，則關(guān)斷Q1，停止對電容充電。

　　電阻RS對充電電流進行采樣，采樣后的電壓與微控制器輸出的PWM2輸出電流設置信號進行比較，如果充電電流超過設定值，則關(guān)斷Q1，停止對電容充電。同時，微處理器采集到超級電容溫度和充電電路溫度兩個中的任意一個溫度超限，則微控制器輸出T_ctl信號，關(guān)斷Q1，停止對電容充電，實現(xiàn)了溫度保護。

　　4)溫度采集部分

　　主要有三個溫度傳感器t1，th，tc。t1主要采集充電回路主要發(fā)熱的高頻變壓器，th采集環(huán)境溫度，tc為外置的溫度傳感器采集超級電容模組的溫度。三個溫度傳感器采用SPI數(shù)據(jù)接口，由微處理器直接進行讀取溫度數(shù)據(jù)。當溫度越限后，微處理器輸出T_ctl信號，關(guān)斷Q1，停止對電容充電，實現(xiàn)了溫度保護。

　　5)供電電源部分

　　主要有AC/DC模塊和LDO線性電源構(gòu)成。AC/DC采用寬輸入電源模塊，應具有裸機抗EMC能力強等特點。AC/DC輸出電壓由于具有一定的紋波，無法直接供給微處理器直接使用，因此采用了線性電源進行降壓，并降低電源的紋波。

　　6)狀態(tài)指示部分

　　主要由4個發(fā)光二極管構(gòu)成，分別指示電源微處理器運行狀態(tài)，超級電容充電狀態(tài)，電源過熱或外部超級電容過熱，電源充電時過載等信息。

　　2 超級電容模組充電電源軟件功能實現(xiàn)

圖2 軟件功能實現(xiàn)主邏輯框圖

　　本設計的軟件功能的實現(xiàn)如圖2所示，分為四大部分：1)數(shù)據(jù)讀取與參數(shù)設定轉(zhuǎn)換邏輯;2)超級電容溫度與溫升-電流控制邏輯;3)電容充電控制與過載保護;4)狀態(tài)指示控制邏輯。

圖3 溫度與溫升-電流控制輯框圖

　　為完成充電時對超級電容的保護，如圖3所示，本設計通過讀取到的超級電容溫度Tc和環(huán)境溫度Th計算出超級電容的溫升Tws，如果超級電容溫升Tws已經(jīng)超過了超級電容極限工作溫升Tmaxw，則停止對超級電容充電，直接設置TempHFlag為1。如果超級電容的絕對溫度Tc超過了超級電容最大工作溫度，則也停止對超級電容充電，設置TempHFlag為1。

　　如果溫升Tws和絕對溫度Tc都在安全范圍內(nèi)，通過Tws讀取到內(nèi)置到MCU的超級電容溫升-電流曲線，讀取出對應的可充電電流Itws。如果設置的充電限制電流Icset大于溫升-電流值Itws，則將Icset設置為Itws進行充電，防止了充電電流過大導致超級電容壽命損傷。

圖4 電容充電與過載保護輯框圖

　　如圖4所示，本設計首先判斷TEMPFlag是否為1，當TEMPFlag為1表明溫度傳感器的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢。其次判斷TempHFlag是否為1，如果TempHFlag為1表明超級電容的絕對溫度或者溫升都已經(jīng)超過了超級電容的工作極限，此時不能對其進行充電。

　　然后判斷充電控制電路是否過載，其過載的判斷主要是依據(jù)溫度傳感器t1測量的溫度Tk，如果Tk大于內(nèi)置的設定值Tkset，表明充電控制電路存在過熱，繼續(xù)充電將會導致充電回路損壞,此時將過載標志OverFlag置1，表明充電控制回路過載，停止充電。

　　上述的幾個條件都沒有問題后，邏輯再次判斷設置參數(shù)是否讀取，參數(shù)讀取標志正常，則會依照Icset來控制PWM2輸出一個電壓來和充電回路的電流相比較，比較過程由圖1的(c)部分電壓比較器A2完成。

　　依照Ucset來控制PWM1輸出一個電壓來和充電回路的電壓相比較，比較過程由圖1的(c)部分電壓比較器A1完成.兩者設置完畢，則圖1的(c)部分自動完成充電的限流限壓充電過程，同時將充電標志ChargeFlag置1，表明此時正在對超級電容組充電。

　　禁止充電時通過控制T_ctl直接關(guān)斷圖1的(c)部分的與門控制信號，使開關(guān)管Q停止工作，清充電標志ChargeFlag為0。

　　3 超級電容模組充電電源設計技術(shù)指標

　　超級電容模組充電電源設計技術(shù)指標及與現(xiàn)有充電電源方案的比較，具體表1-2所示：

表1. 超級電容模組的充電電源技術(shù)目標參數(shù)

表2. 超級電容模組充電電源設計與現(xiàn)有技術(shù)方案的比較

　　4 超級電容模組充電電源的優(yōu)越性

　　超級電容模組充電電源設計的優(yōu)越性，具體如下：

　　1)充電電壓和充電電流可調(diào)節(jié)，可適用于不同容量和電壓要求的超級電容組，可調(diào)節(jié)的充電電流適應于對不同超級電容組充電時間不同需求的場合。

　　2)充分考慮充電電路可能過載的情況，提供過熱自我保護，避免充電電流過大或頻繁充電導致充電回路過載損壞。

　　3)充電過程兼顧超級電容的溫度特性，采用超級電容溫升-電流曲線進行限制充電，同時監(jiān)視超級電容溫升過高和絕對溫度過高并停止充電，避免繼續(xù)充電導致溫度極限升高造成超級電容壽命快速減小或發(fā)生爆炸。

　　5 結(jié)論

　　本設計的實現(xiàn)可調(diào)節(jié)恒流充電和恒壓充電電路、實現(xiàn)恒流與恒壓自動轉(zhuǎn)換功能及實現(xiàn)電容模組的系統(tǒng)保護功能，解決了目前市場上的超級電容模組充電電源一般充電電壓設計為固定方式，不可調(diào)節(jié)的問題。

　　同時，由于不同的超級電容模組的容量不同，廠家技術(shù)參數(shù)不同，對充電電流的耐受值也不同。因此，本設計采用充電電流可調(diào)節(jié)設計，可使電源適應不同廠家，不同容量的超級電容模組。

　　針對目前現(xiàn)有超級電容充電電源無法對充電時對超級電容的發(fā)熱進行及時?的保護，造成充電時由于環(huán)境溫度過高，或者充電電流過大而造成電容器溫度過高，引起超級電容損壞等問題，本設計支持對超級電容模組進行溫度采集，實現(xiàn)系統(tǒng)的保護。