一種新型超級電容模組充電電源設計

一種新型超級電容模組充電電源設計

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 。

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。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?；瘜W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。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電壓，恒流充電結束后轉入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。

采用這種充電方法的優(yōu)點是：1.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束前達到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級電容器內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、MCU和電力電子技術，設計并實現(xiàn)了一種新型超級電容模組充電電源，包括可調節(jié)恒流充電和恒壓充電電路設計、恒流與恒壓轉換控制電路設計、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節(jié)的問題，同時采用充電電流可調節(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，其主要分為6個部分組成。分別為：1）EMC處理電路；2）充電調節(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。

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）充電調節(jié)電路

調節(jié)電路主要是對充電電流調節(jié)和充電電壓進行調整。調整電路采用可調電位器進行調整，調整后的分壓分為ADC_I和ADC_U，兩個電壓進入到微控制器中的內部ADC中。程序對兩個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。