【導(dǎo)讀】超級電容的優(yōu)勢在于其充放電次數(shù)顯著多于傳統(tǒng)鉛酸電池,同時能夠更迅速地吸收能量而不減少其預(yù)期壽命。這些特點還使超級電容對工業(yè)后備電源系統(tǒng)、快速充電無繩電動工具和遠程傳感器具有吸引力,因為對這些應(yīng)用來說,頻繁更換電池是不切實際的。
超級電容(Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor)亦稱雙電層電容(electric double-layer capacitor),目前越來越廣泛地用于各種電源管理系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用(如具有再生制動功能的起停系統(tǒng))中,超級電容能夠提供使起動器嚙合所需的能量,以重啟燃燒發(fā)動機,并接收在制動期間回收的動能。
超級電容的優(yōu)勢在于其充放電次數(shù)顯著多于傳統(tǒng)鉛酸電池,同時能夠更迅速地吸收能量而不減少其預(yù)期壽命。這些特點還使超級電容對工業(yè)后備電源系統(tǒng)、快速充電無繩電動工具和遠程傳感器具有吸引力,因為對這些應(yīng)用來說,頻繁更換電池是不切實際的。
本文討論了有關(guān)為這些大電容充電的挑戰(zhàn),并向電源系統(tǒng)設(shè)計工程師介紹了如何評估和選擇適合后備能量存儲應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級電容充電器解決方案范例,并提供了波形和詳細(xì)解釋。
系統(tǒng)詳述
許多系統(tǒng)配置都使用超級電容組作為后備能量存儲組件。一開始,設(shè)計工程師需要確定其能量存儲配置目標(biāo),然后決定可用多大電壓來存儲能量。解決方案選擇取決于負(fù)載的功率和電壓要求,以及超級電容的能量和電壓能力。在確定了最佳解決方案后,還必須對整體性能與成本進行平衡。
圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖,其中的負(fù)載是需要穩(wěn)定輸入電壓(3.3V、5V、12V等)的器件。48V主電源為正常工作的開關(guān)穩(wěn)壓器2(SW2)供電,同時通過開關(guān)穩(wěn)壓器1(SW1)為超級電容組充電,使其電壓達到25V。當(dāng)主電源斷開時,超級電容組向SW2供電,以維持負(fù)載的連續(xù)運行。
圖1.一種使用超級電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖
系統(tǒng)設(shè)計和挑戰(zhàn)選定超級電容后,系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級電容充電的目標(biāo)電壓,其根據(jù)是超級電容的定額曲線。大多數(shù)超級電容單元的額定電壓范圍為室溫下2.5V-3.3V,此額定值在更高溫度時下降,隨之帶來更長的預(yù)期壽命。通常,充電目標(biāo)電壓設(shè)置值應(yīng)低于最大額定電壓,以延長超級電容的工作壽命。
接下來需要選擇超級電容組的預(yù)期電壓和SW2拓?fù)洹3夒娙萁M配置可為并聯(lián)、串聯(lián)或者并聯(lián)的串聯(lián)電容串組合。因為單元電容電壓額定值通常低于3.3V,且負(fù)載常常需要相等或更高的供電電壓,所以針對電容單元配置和SW2的選項是,使用一個電容單元與一個升壓轉(zhuǎn)換器,或串聯(lián)的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器。若使用升壓配置,我們必須確保在超級電容放電時,電壓不會下降至低于SW2的最小工作輸入電壓。該電壓下降可能多達超級電容充電電壓的一半之多,為此,我們舉一個由串聯(lián)超級電容組合和一個簡單降壓穩(wěn)壓器(SW1)組成的超級電容組的例子。然后,如果能量要求需要的話,將并聯(lián)多個串聯(lián)電容串。
如果選擇超級電容的串聯(lián)組合,則必須根據(jù)電容串頂端的最大預(yù)期電壓來選擇所用電容單元的數(shù)目。更多的串聯(lián)電容意味著超級電容串的電容值更小而電壓更高。例如,假設(shè)選擇使用兩串由四個2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容(串聯(lián))組成的一個電容串。雖然兩種配置可存儲總電荷和能量是相同的,但電容串的可用電壓范圍使單個串聯(lián)串具有優(yōu)勢。例如,如果有一個需要5V偏壓的負(fù)載,則SW2需要的電壓為6V左右(考慮到其最大占空比和其他壓差因素)。
●電容中的能量W=CV2/2,可用能量W= C/2(Vcharge2 - Vdicharge2)
●對于每串4個電容的兩個電容串,可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)2-6V2)] = 201.6J
●對于包含8個電容(串聯(lián))的單個電容串,可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)2-6V2)] = 269.1J
因為兩個電容組可存儲相同的總能量,所以電壓較低的電容串的充電浪費/不可用百分比更大。在本例中,優(yōu)先選擇更高的電容串電壓,以充分利用超級電容。
第三個系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級電容組充電。一開始,當(dāng)超級電容電壓為0時,由于高電容值,SW1 需要在類似輸出短路的條件下工作相當(dāng)長時間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護超級電容和 SW1,在充電階段開始時需要附加的電流限制功能。一種令人滿意的解決方案是讓 SW1 在幾乎無輸出電壓的條件下提供加長時間的連續(xù)充電電流。
為超級電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓(CICV)是常用的首選方法,如圖2(CIVE曲線)所示。在充電周期開始時,充電器件(SW1)在恒定電流模式下工作,向超級電容提供恒定電流,使得其電壓呈線性增加。在超級電容充電至目標(biāo)電壓時,恒定電壓回路激活并準(zhǔn)確地控制超級電容充電電平,使之保持恒定,以避免過度充電。同樣,該優(yōu)先解決方案也提出了對電源管理功能的要求,需要在設(shè)計中加以考慮。
圖2.CICV超級電容充電控制
再以圖1為例,在48V主電源、25V超級電容組電壓以及3.3V、5V、12V等負(fù)載電壓的情況下,為SW1和SW2選擇同步降壓功能是合適的。由于主要挑戰(zhàn)與超級電容充電有關(guān),所以針對SW1的選擇非常重要。針對SW1的理想解決方案對電源管理功能的要求是能夠在高輸入(48V)和輸出(25V)電壓下工作,同時提供CICV調(diào)制功能。
[page]
超級電容充電器解決方案范例
為說明超級電容充電行為,我們以同步降壓穩(wěn)壓器為例。說明其關(guān)鍵問題和解決技術(shù),并使用實驗波形來幫助理解。
圖3.實現(xiàn)CICV超級電容充電控制的同步降壓穩(wěn)壓器簡化原理圖
圖3顯示了用Intersil的ISL78268控制的實現(xiàn)CICV模式的同步降壓穩(wěn)壓器的簡化原理圖。為了在CICV控制下將超級電容組充電到25V,在選擇控制器時考慮了以下功能:1. 能在VIN>= 48V和VOUT>= 25V條件下工作的同步降壓控制器。
2. 恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)能力,可自動切換調(diào)節(jié)模式。
3. 在系統(tǒng)供電電壓范圍實現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測輸入以實現(xiàn)CI模式。參考圖3,控制器可感測電感器的連續(xù)電流,即充電電流??刂破鞯碾娏鞲袦y放大器必須能夠承受共模電壓,在本例中為25V。
圖4顯示了ISL78268同步降壓控制器的一小部分功能框圖。如圖所示,有兩個獨立的誤差放大器,分別標(biāo)記為Gm1和Gm2,用于實現(xiàn)恒定電壓(Gm1)和恒定電流(Gm2)。
誤差放大器Gm1用于CV閉環(huán)控制。它比較FB的反饋電壓與內(nèi)部1.6V參考電壓,并在COMP引腳產(chǎn)生誤差電壓。FB引腳從輸出電壓連接至一個電阻分壓器,并設(shè)置為當(dāng)輸出電壓為預(yù)期電壓水平時FB電壓為1.6V。于是COMP電壓即代表預(yù)期輸出電壓與實際輸出電壓之差。然后比較COMP與電感電流相比較,以生成PWM信號,來控制輸出電壓,使之保持恒定。
誤差放大器Gm2用于CI閉環(huán)控制。它比較IMON/DE引腳電壓與內(nèi)部1.6V參考電壓,并在COMP引腳產(chǎn)生誤差電壓。IMON/DE引腳電壓是內(nèi)部產(chǎn)生的,代表平均輸出電感電流負(fù)載值。因此,COMP電壓在Gm2回路激活時(Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個回路是激活的)代表預(yù)期輸出電流與實際輸出電流之差。然后COMP與電感電流相比較,以生成PWM信號,來控制輸出電壓,使之保持恒定。
在超級電容電壓達到目標(biāo)電壓之前的充電階段,由Gm2的輸出來驅(qū)動COMP引腳,產(chǎn)生PWM輸出,以實現(xiàn)CI控制。當(dāng)超級電容電壓達到目標(biāo)值時,充電電流減小,引起IMON/DE引腳電壓降低和CI回路斷開(當(dāng)IMON/DE<1.6V時),于是CV回路自然地接管對COMP的控制,從而保持輸出電壓恒定。
ISL78268降壓控制器既有峰值電流模式的PWM控制器(可靠的逐周期峰值電流調(diào)制器),也有非常適用于超級電容充電的外部恒定平均電流回路。
圖4.ISL78268 CICV回路簡化框圖
[page]現(xiàn)在,我們可以重點介紹已實現(xiàn)的超級電容充電實現(xiàn)方案。圖5、6和7顯示了由ISL78268控制,來為超級電容組(12節(jié)50F/2.7V串聯(lián)電容)充電的同步降壓控制器的實驗波形。超級電容將通過主電源充電至25V。
圖5.超級電容充電的實驗波形
圖5顯示超級電容充電有多個階段。開始時,在第1階段,Vo幾乎為0。ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號還未達到1.6V(期望充電電流的參考值),所以CI回路還未接通(engage)。在此階段,電感器的峰值電流被逐周期限制于固定的OC閾值。在VOUT處于低水平(FB<0.4V)的充電階段開始時,開關(guān)頻率最大值被限制在50kHz,以預(yù)防所提到的因為低VOUT時的峰值電流限制而引起的電感器失控問題。
圖6顯示了第1階段的波形的放大圖。第2階段從IMON/DE引腳電壓(黃色跡線)達到1.6V時開始。在此階段,CI回路接通并拉低COMP信號(青色跡線),從而開始穩(wěn)定輸出電流并使IMON/DE引腳電壓保持恒定。IMON/DE引腳電壓代表所感測的平均輸出電流信號。IL波形(綠色跡線)顯示平均電流在第2階段被控制為恒定水平。輸出電壓波形(粉色跡線)顯示超級電容被恒定充電電流以線性方式充電。
圖6.超級電容充電第1階段的實驗波形放大
第3階段從FB引腳檢測到0.4V電壓開始(圖7)。該觸發(fā)之后恒定電流穩(wěn)定回路將完全接通,所以開關(guān)頻率可自動調(diào)節(jié)至預(yù)編程的300kHz。在更高的開關(guān)頻率下,電感電流紋波(綠色跡線)顯著減小。輸出電壓(粉色跡線)繼續(xù)呈線性增加,表示超級電容被線性充電。
圖7.超級電容充電的實驗波形
回到圖5,第3階段一直到Vo達到25V的目標(biāo)電壓時結(jié)束。此時,CV回路接通并穩(wěn)定輸出電壓。平均電流回路斷開。圖5顯示輸出電壓(粉色跡線)趨平且電感電流降低。代表平均充電電流的IMON/DE引腳電流也下降,表示恒定電流穩(wěn)定過程結(jié)束。
結(jié)束語
超級電容由于其固有物理特征對比傳統(tǒng)電池具有的優(yōu)勢在汽車、工業(yè)和消費產(chǎn)品中被用作能量存儲解決方案。為使超級電容組的可存儲能量最大化,最佳方案常常是串聯(lián)多個超級電容單元來實現(xiàn)高電容組電壓。充電時,最好使用CICV方法來限制由于超級電容充電到恒定電壓期間的低ESR而產(chǎn)生的高電流。恒定電流還可以使充電損耗可控制,這可以減少所生成的熱量并延長超級電容的壽命。因此,讓充電電路容忍高電壓并提供CICV控制功能是有益的。
相關(guān)閱讀:
高性能石墨烯微型超級電容器面世
選型必讀:透徹理解超級電容的11個參數(shù)
新型小型超級電容器誕生,更小手機將有望