如何为超级电容器组的储能进行充电

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1、如何为超级电容器组的储能进行充电引言超级电容器（supercapacitor，SC）也被称为超电容器（ultracapacitor）和双电层（electricdouble-layer）电容器，通常用在各种电源管理应用当中。在汽车应用中，如带有再生制动的启动-停止系统，SC能够提供重新启动内燃机时啮合（engage）起动器所需的能量，同时接受制动期间回收的动能。超级电容器有很多好处，因为它们被充电和放电的次数能够显著多于传统铅-酸电池，并且也能够更迅速地吸收能量，而不会降低其预期寿命。这些能力也使得SC对于工业备用电源系统、快速充电无绳电动工具

2、和远程传感器具有很大的吸引力，为这些应用频繁更换电池是不切实际的。本文介绍了与这些大电容充电相关的各种挑战，并告诉电源系统设计人员如何为后备储能评估和选择最佳的系统配置。它通过所提供的波形和详细解释，来对SC充电器解决方案进行解析。系统阐述在许多系统配置中都使用了超级电容组作为后备储能装置。要开始使用，设计人员需要聚焦其能量存储配置，然后再决定能量在什么电压上进行能量存储。解决方案的选择依赖于负载的功率和电压要求，以及SC的能量和电压能力。一旦确定了最好的解决方案，必须做出整体性能与成本之间的权衡。图1示出了一种高效率解决方案的原理框图，其中

3、的负载是需要调节输入电压（3.3V、5V、12V等）的器件。48V主电源为正常运行中的开关稳压器2（SW2）供电，而同时通过开关稳压器1（SW1）以25V电压为SC组充电。当主电源断开时，则SC组为SW2供电，以保持负载在不中断的前提下运行。1RenesasElectronics图字：主电源开关稳压器1无源或有源平衡无源或有源平衡无源或有源平衡超级电容器组开关稳压器23.3V、5V、12V等负载图1：使用超级电容器组的电池后备系统范例框图系统设计与挑战一旦选择了一种SC单元，系统设计人员就必须选择将每个SC单元被充电时的目标电压，这是基于SC

4、的额定曲线来完成的。在室温条件下，大部分SC单元的额定值都是2.5V至3.3V——这个额定值处于较高的温度范围，并具有较长的预期寿命。通常，目标电压的设置应该低于最大额定电压，以延长SC工作寿命。接下来，可以选择SC组和SW2拓扑电路所需的理想电压，SC组配置可以是并联、串联或并联的串联串组合。由于单元的额定电压通常在3.3V以下，而负载通常需要等于或高于电源电压，单元配置和SW2的选择将使用一种带升压转换器的单个单元模式，或者一种带降压或降压-升压稳压器的多个单元串联模式。如果要使用升压拓扑结构，我们必须确保随着SC放电，电压不降低到低于S

5、W2的最低工作输入电压。这个高压可能高达SC的充电电压的一半，同时基于这个原因，我们还将分析一个针对SW1的SC组，它由SC和一个简单的降压稳压器串联组合而成。然后，如果为了满足能量要求的需要，应该并联放置多个串联串。如果选择了SC串联组合模式，所使用的单元数目必须根据串的最高值的最大所需电压来选择。更多电容器的串联意味着SC串的电压更高、电容值更低。例如，可以考虑选择使用两串四个2.7V10F的电容器，也可以选择一串八个（串联）同样的电容器。在可以存储相同总电荷和能量的同时，串的可用电压范围使单串联串更有优势。例如，如果有一个负载需要5V偏

6、压，在考虑到其最大占空比和其他跌落（dropout）因素后，SW2所需的电压为6V左右。电容器中的能量为W=CV2/2，而可以使用的能量为W=C/2（Vcharge2-Vdicharge2）2RenesasElectronics两串四个电容器的可用能量为W=2*[（10F/4）/2*（（2.7V*4）2-6V2）]=201.6J单串八个电容器（串联）的可用能量W=1*[（10F/8）/2*（（2.7V*8）2-6V2）]=269.1J由于两个电容器组都可以存储相同的总能量，较低电压的串有更大百分比的浪费/不可用电荷。在这种情况下，较高串

7、电压有利于充分利用SC。在考虑如何对SC组充电时，第三个系统挑战出现了。起初，当SC电压为0时，由于高电容的缘故，SW1必须在相当长的一段时间内工作在一种类似于输出短路的状态下。一个常规的SW1可能会卡在打嗝（hiccup）模式，而无法为SC充电。为了保护SC和SW1，在充电阶段的开始时，必须要有额外的电流限制功能。针对SW1的一个好的解决方案是在几乎没有输出电压的情况下，在更长时间内提供连续的充电电流。现在有各种方法为SC充电。如图2（CICV曲线）所示的恒定电流/恒定电压（CICV）是较常用的和优选的方法。在充电周期开始时，充电器件（SW

8、1）在恒定电流模式下工作，为SC提供恒定的电流，使得其电压线性增加。SC被充电到目标电压后，此时恒定电压环路被激活，并准确控制SC充电等级保持恒定，以避免过度充电。