高效率超級電容充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡紅彥,呂振東,孫振路

(1.河北省激光研究所,河北石家莊 050081;2.長春理工大學(xué),吉林長春 130022)

高效率超級電容充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡紅彥1,呂振東2,孫振路1

(1.河北省激光研究所,河北石家莊 050081;2.長春理工大學(xué),吉林長春 130022)

超級電容器是具有超大容量和高儲能密度的新型儲能元件,具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快等蓄電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合超級電容的充放電特性,設(shè)計(jì)了低內(nèi)阻高效率的超級電容充電電路,有效地提高了超級電容的充電效率。

超級電容;低內(nèi)阻;高效率;同步整流

引言

超級電容器誕生以來,其獨(dú)具的循環(huán)壽命長、功率密度高、充電速度快、放電電流大等特點(diǎn)使其應(yīng)用越來越受到人們的重視,在電動汽車中替代蓄電池作為儲能元件已經(jīng)在多個城市試點(diǎn)應(yīng)用,在光伏發(fā)電領(lǐng)域,用超級電容器作為光伏發(fā)電的儲能裝置也具有良好的發(fā)展前景。超級電容器與普通電池相比較,有很多優(yōu)點(diǎn):

(1)超低等效串聯(lián)電阻(ESR);

(2)充電速度快,充電10s～10min可達(dá)到其額定容量的95%以上;

(3)循環(huán)使用壽命長,深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次,是鋰離子電池的500倍,是鎳氫和鎳鎘電池的1000倍,如果對超級電容每天充放電20次,連續(xù)使用可達(dá)68年,而且沒有“記憶效應(yīng)”;

(4)大電流放電能力超強(qiáng),能量轉(zhuǎn)換效率高,過程損失小,大電流能量循環(huán)效率≥90%;

(5)功率密度高,可達(dá) 3000W/KG-5000 W/KG,相當(dāng)于電池的5～10倍;

(6)產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環(huán)保電源;

(7)超低溫特性好,溫度范圍寬 -40℃～+70℃,普通電池是-20～60℃;

(8)檢測方便,剩余電量可直接讀出。

正是基于超級電容的諸多優(yōu)點(diǎn),使它應(yīng)用越來越受到各國政府的重視。但是超級電容充電特性不同于普通蓄電池,它的起始電壓低至零伏,目前在國內(nèi)外針對超級電容這一特性的高效充電裝置研究還較少,一般都是使用有恒流限壓功能的線性充電器,對于超級電容的充電特性來講,這種常規(guī)充電方式效率會很低,尤其在充電起始階段,其效率甚至低于5%。

針對超級電容起始電壓低的特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)出具有功率傳輸特性的開關(guān)變換電路,并采用同步整流技術(shù),降低電源的內(nèi)阻,實(shí)現(xiàn)高效率的超級電容充電電路,使得太陽能電池板輸出的能量通過充電電路變換后有效地傳輸?shù)匠夒娙萆?提高充電效率。

本文的研究,解決了超級電容充電效率不高的問題,實(shí)用性強(qiáng),有助于推動超級電容的應(yīng)用,具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)硬件組成框圖,其電壓變換部分由KA 3525型開關(guān)電源芯片為核心構(gòu)成具有功率傳輸特性的Buck降壓電路構(gòu)成,并采用同步整流技術(shù)降低電路的內(nèi)阻,提高低壓大電流輸出時的工作效率。

控制核心采用PIC16F886單片機(jī),實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤、提供變換電路參考電壓、充電電壓限制等功能。

本電路最重要的特點(diǎn)是采用輸入電壓反饋實(shí)現(xiàn)變換電路的PWM控制,通過這種控制方式,能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能電池板輸出電壓的相對穩(wěn)定,使太陽能電池板工作在最大功率點(diǎn)狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖1 充電電路總體設(shè)計(jì)框圖

圖2為采用同步整流技術(shù)的Buck開關(guān)變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),影響變換電路效率的主要因素有開關(guān)管Q1的功率損耗、電感L上的功率損耗及續(xù)流晶體管Q2上的功率損耗,為降低電路損耗,就要從以上三個方面入手,首先選取溝道電阻小、工作速度高的開關(guān)晶體管,第二采用多股繞制的儲能電感L,以克服高頻工作下電流趨膚效應(yīng)帶來的阻抗升高現(xiàn)象。第三采用同步整流晶體管Q2代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的肖特基二極管D,克服了肖特基二極管固有的導(dǎo)通電壓帶來的固定損耗,從而降低續(xù)流二極管帶來的功率損耗。

圖2 Buck開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

(1)最大功率點(diǎn)跟蹤程序設(shè)計(jì)。太陽能電池工作時,存在最大功率點(diǎn),太陽能電池輸出功率曲線如圖3所示,為使太陽能電池板工作狀態(tài)始終處于最佳狀態(tài),需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。

圖3 太陽能電池輸出功率曲線

本文的充電電路中是通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。具體過程如圖4所示,太陽能電池板輸出電壓和電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,送入單片機(jī)中進(jìn)行功率運(yùn)算,最大功率點(diǎn)跟蹤程序流程如圖5所示,采用逐次比較算法獲得最大功率點(diǎn)位置,最大功率點(diǎn)的控制是通過調(diào)整PWM電路占空比實(shí)現(xiàn)的。

圖4 最大功率點(diǎn)跟蹤過程框圖

(2)過壓保護(hù)程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用的超級電容耐壓是2.7V,在當(dāng)超級電容的電壓達(dá)到2. 7V,充電電路就應(yīng)停止工作。通過控制 KA 3525芯片的引腳10使能引腳(Shutdow n)去控制充電的通斷。使能引腳低電平有效,即使能引腳清“0”,Buck電路開始工作。

圖5 最大功率點(diǎn)跟蹤程序流程圖

超級電容有一定的內(nèi)阻,雖然內(nèi)阻很小,但是充電電流很大,這些內(nèi)阻上的壓降也會影響對超級電容電壓的采樣。為了去除這些影響,在充電的后期,在采樣時先暫停充電,過壓保護(hù)程序流程如圖6所示。

圖6 過壓保護(hù)程序流程圖

2 電路測試結(jié)果與效率分析

測試中使用的超級電容是15個60F的電容并聯(lián)組成一個容量為900F的超級電容器組,充電電壓和電流如表1所示。

表1 超級電容充電測試數(shù)據(jù)

由表1可以看出,采用同步整流技術(shù),充電電路輸出1V時效率已經(jīng)達(dá)到91%,而不采用同步整流技術(shù),測試效率僅為70%,效率提高了21%。測試結(jié)果充分表明在低壓大電流輸出的場合,同步整流可大大提高電路的效率。

超級電容容量兩端的電壓從0V升到2.5V用時是2分44秒,下面通過這個時間來算一下充電全過程的效率:

太陽能能電池板輸出的能量為

由式(7)可以看出現(xiàn)使用線性充電器效率只有46.3%,其余的53.7%的能量都消耗在電源的內(nèi)阻上了。

η1和η2相比可以明顯看出筆者設(shè)計(jì)的超級電容充電電路的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

對超級電容的應(yīng)用前景進(jìn)行了探討,詳細(xì)闡述了超級電容充電電路的設(shè)計(jì)過程,并對充電電路的性能進(jìn)行了測試。

經(jīng)過對充電電路的系統(tǒng)性研究,可以看出功率開關(guān)管的性能、儲能電感性能對電路性能影響很大,而同步整流技術(shù)的引入,更是解決了低壓大電流情況下高效率輸出的技術(shù)瓶頸。經(jīng)過測試得到了比傳統(tǒng)串聯(lián)線性穩(wěn)壓充電效率提高40%以上的結(jié)果。

目前超級電容的應(yīng)用越來越廣泛,此研究符合綠色能源發(fā)展的需要,解決了超級電容充電效率低下的問題,有助于推動超級電容普及應(yīng)用,具有重要的實(shí)用價值。

[1] 許倞,陳家昌.我國“十五”能源科技發(fā)展成就及展望[J].中國科技產(chǎn)業(yè).2006,(2).

[2] 陳永真.電容器及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[4] 劉和平.單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天出版社,2004.

Charging system design for high-efficient super capacitor

HU Hong-yan1,LV Zhen-dong2,SUN Zhen-lu1

(1.Hebei Institute of Laser,Shijiazhuang Hebei050081,China;2.Changchun University of Science and Technology,Changchun Jilin130022,China)

Super capacito r is a new energy sto rage devices w ith large capacity and high energy density and has the advantages of long cycle life,powerful density and fast charge and discharge compared to accumulator.ln this paper,a super-capacitor charging circuit w ith low-resistance and high-efficiency was designed according to charging and discharging characteristics for super capacitor,effectively imp roving the charging efficiency of super-capacito r.

Super capacitor;Low-resistance;High-efficiency;Synchronous Rectification

TP273

:A

1001-9383(2010)04-0034-04

2010-09-20

胡紅彥(1975-),男,河北平山人,助理研究員,主要從事等離子物理技術(shù)研究與開發(fā).