超級(jí)電容充放電控制器的設(shè)計(jì)

錢浩+趙博文+陳子棟+劉青松+熊遠(yuǎn)生

摘要：本文基于超級(jí)電容在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用，根據(jù)超級(jí)電容的特性設(shè)計(jì)了充、放電控制電路，給出了設(shè)計(jì)方案，并推導(dǎo)出元件參數(shù)，設(shè)計(jì)的控制器在電動(dòng)自行車上試驗(yàn)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容 電動(dòng)自行車 控制器

超級(jí)電容是近年發(fā)展快速的一種大容量?jī)?chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、效率高、使用壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容具有90%以上的充放電效率，充放電電流可達(dá)數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達(dá)10萬(wàn)次以上。超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在通訊、電子、鐵路、航空以及軍事等領(lǐng)域起的作用越來(lái)越大。當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視，超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車和混合式動(dòng)力車上的前景廣闊，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源。本文將超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)自行車上，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源，以滿足電動(dòng)自行車在啟動(dòng)、加速、爬坡或加載時(shí)的高功率要求。

1 超級(jí)電容充電器的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器在使用中，應(yīng)該要注意以下問(wèn)題：①超級(jí)電容器有固定的極性，在使用前注意確認(rèn)其極性。②超級(jí)電容器需要在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)工作電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓的時(shí)侯會(huì)導(dǎo)致其電解液的分解，電容器發(fā)熱，容量也隨著下降，內(nèi)阻增加，壽命將縮短。③超級(jí)電容器不能在高頻充放電電路中使用，在高頻率的充放電電路下，會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱更多，容量衰減，內(nèi)阻增加，甚至?xí)?dǎo)致電容器的性能崩潰。④當(dāng)多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)使用會(huì)導(dǎo)致某些單體電容器過(guò)壓，整體性能會(huì)受到影響，甚至?xí)p壞這些電容器。根據(jù)以上對(duì)超級(jí)電容特性的分析，超級(jí)電容不能過(guò)電壓充電，但是可以承受大電流充電，所以本次設(shè)計(jì)采用了大電流恒壓充電。主要過(guò)程為由220V/50Hz的交流市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓、橋式整流，電容濾波，然后用L4970大功率穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定輸出30V電壓，給超級(jí)電容進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)方案框圖如圖1示。

圖1 超級(jí)電容充電方案圖

2 超級(jí)電容充電電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)30V/50F的超級(jí)電容進(jìn)行充電。若采用5A大電流充電，假設(shè)超級(jí)電容的開始電壓為0，由公式Q=C△U=It，可以計(jì)算出充電時(shí)間為5分鐘。這完全符合充電時(shí)間短的要求?；诖吮敬卧O(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電壓為36V的恒壓充電電源給超級(jí)電容充電。圖2所示為超級(jí)電容充電電路。

本次設(shè)計(jì)整流部分采用橋式整流電路，運(yùn)用四個(gè)二極管的單向?qū)щ娮饔谜?。二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導(dǎo)通，在正半周D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；在負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓較高，紋波電壓小，二極管承受的最大反向電壓低。因電源變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。

由于充電器要求充電時(shí)間短，充電器必須要輸出大功率，此處選用的整流二極管其最大正向平均整流電流為10A，最大正向電壓1V。它具有反向漏電流低，正向浪涌承受能力較強(qiáng)，導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點(diǎn)，滿足此處整流的需求。當(dāng)以最大電流為10A充電時(shí)，單個(gè)二級(jí)管的正向?qū)▔航禐?V，則功耗有10W。得到的直流電壓V3=0.9V2。

濾波電路采用電容式濾波，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升到時(shí)，能把部分能力存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把電場(chǎng)能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，達(dá)到平波的作用。濾波部分選用兩個(gè)3.3mF/50V的電容C1、C2濾波。

為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，選擇了L4970大功率穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，L4970是由DMOS開關(guān)功率管，混合式COMS等集成電路制成的開關(guān)芯片，能夠承受最大輸出10A電流；開關(guān)頻率高，可達(dá)400kHz，此處選擇200kHz，電源效率高，減小了濾波電容的體積；輸入輸出壓差低，約為1.1V，使其自身的耗能低，效率可以達(dá)到95%；輸入電壓范圍為15V-50V；輸出電壓可在5.1V-40V范圍內(nèi)調(diào)動(dòng)；有軟啟動(dòng)、限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓鎖定、PWM鎖定和掉電復(fù)位等電路組成。芯片的工作過(guò)程為：首先把輸出電壓V0或經(jīng)R1、R2和W組成的取樣電路的反饋電壓Vf和5.1V的基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差電壓和Vr、VJ比較獲得PWM信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)DMOS功率管，外接L、VD和C構(gòu)成降壓電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。1腳和2腳接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻R4和電容C9，頻率此處取200kHz，工作效率可以達(dá)94%。接3腳的R1和R2構(gòu)成分壓器，用以設(shè)定復(fù)位閥值電壓VIL為11V，當(dāng)VIL不大于11V時(shí)，輸出V0=0，復(fù)位輸出=0。4腳LED亮著表示正常輸出。5腳C6為復(fù)位延遲電容。6腳C10為自舉電容，用于升功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電壓，使功率管獲大電流輸出。7腳C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，限制儲(chǔ)能電感L當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓，VD為續(xù)流的作用。8腳為通用接地端。9腳為穩(wěn)壓輸入端。10腳R3和C8構(gòu)成誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，C7用于高頻補(bǔ)償。11腳為反饋的調(diào)節(jié)輸入端。12腳C5為軟啟動(dòng)電容。13腳同步輸入端，用于多片同時(shí)使用。14腳C4和15腳的C3為芯片內(nèi)部+5.1V和+12V基準(zhǔn)電壓的濾波電容。

L4970A工作在200kHz的頻率下，它的工作效率為94%。此時(shí)定時(shí)電阻R4取16kΩ，定時(shí)電容C9取220pF。開關(guān)頻率和自舉電容C10的對(duì)應(yīng)關(guān)系為200kHz，0.22 uF。儲(chǔ)能電感L一般取值40uH-150uH，設(shè)計(jì)中選取120uH。當(dāng)輸出電壓取30V即大于22V，頻率取為200kHz時(shí)，效率可以達(dá)到94%。想要得到30V的輸出電壓，電阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，計(jì)算得出電阻W的取值為2.9kΩ。

充電器從市電220V/50Hz交流輸入，通過(guò)變壓器后得到36V的交流電。查L(zhǎng)4970A芯片資料可知其在溫度小于120℃的時(shí)候最大功耗Pu=30W，給超級(jí)電容以5A/30V充電的功率Po=150W，10A10整流二極管導(dǎo)通導(dǎo)通時(shí)壓降為1V，電流為5A，所以其兩個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)的管耗為Pb=10W。L4970A的效率為94%，超級(jí)電容充電效率90%，綜合效率約為85%。由公式

計(jì)算得出變壓器容量Sc=224VA。由此可以選取容量為0.25kVA的變壓器作為本設(shè)計(jì)的變壓器。

3 超級(jí)電容放電控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用集成電路LM339構(gòu)成的超級(jí)電容的放電控制電路，LM339由四個(gè)電壓比較器組成，由于其兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，選用LM339在此處做信號(hào)檢測(cè)能夠達(dá)到比較理想的效果。LM339由四個(gè)電壓比較器組成了電動(dòng)自行車控制電路的調(diào)速電路，過(guò)流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路和剎車電路。

4 超級(jí)電容的放電實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用的是30V/50F的超級(jí)電容，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，超級(jí)電容的滿充電壓為30V，充電時(shí)間大概8分鐘。試驗(yàn)的電動(dòng)自行車電機(jī)的額定電壓為30V。超級(jí)電容器的容量為50F，為了增加超級(jí)電容的容量，我們采用了兩個(gè)30V超級(jí)電容并聯(lián)放電，但是結(jié)果并不理想，只能跑1000m左右。后來(lái)又加了兩個(gè)30V/60F的超級(jí)電容，容量變大了，車程也相應(yīng)的增加到3km左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430單片機(jī)的電動(dòng)自行車充電器設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2009，38（5）：153-155.

[2]劉龍江，白志峰，曹秉剛.一種電動(dòng)汽車用的超級(jí)電容控制器[J].電子元器件應(yīng)用，2003，5（3）：7-9.

[3]趙坤，等.車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（9）：124-129.

基金項(xiàng)目：

本文得到地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201310354008）資助；嘉興學(xué)院2013年度校級(jí)一般SRT計(jì)劃項(xiàng)目（超級(jí)電容器充放電控制器的設(shè)計(jì)）資助。endprint

摘要：本文基于超級(jí)電容在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用，根據(jù)超級(jí)電容的特性設(shè)計(jì)了充、放電控制電路，給出了設(shè)計(jì)方案，并推導(dǎo)出元件參數(shù)，設(shè)計(jì)的控制器在電動(dòng)自行車上試驗(yàn)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容 電動(dòng)自行車 控制器

超級(jí)電容是近年發(fā)展快速的一種大容量?jī)?chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、效率高、使用壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容具有90%以上的充放電效率，充放電電流可達(dá)數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達(dá)10萬(wàn)次以上。超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在通訊、電子、鐵路、航空以及軍事等領(lǐng)域起的作用越來(lái)越大。當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視，超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車和混合式動(dòng)力車上的前景廣闊，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源。本文將超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)自行車上，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源，以滿足電動(dòng)自行車在啟動(dòng)、加速、爬坡或加載時(shí)的高功率要求。

1 超級(jí)電容充電器的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器在使用中，應(yīng)該要注意以下問(wèn)題：①超級(jí)電容器有固定的極性，在使用前注意確認(rèn)其極性。②超級(jí)電容器需要在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)工作電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓的時(shí)侯會(huì)導(dǎo)致其電解液的分解，電容器發(fā)熱，容量也隨著下降，內(nèi)阻增加，壽命將縮短。③超級(jí)電容器不能在高頻充放電電路中使用，在高頻率的充放電電路下，會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱更多，容量衰減，內(nèi)阻增加，甚至?xí)?dǎo)致電容器的性能崩潰。④當(dāng)多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)使用會(huì)導(dǎo)致某些單體電容器過(guò)壓，整體性能會(huì)受到影響，甚至?xí)p壞這些電容器。根據(jù)以上對(duì)超級(jí)電容特性的分析，超級(jí)電容不能過(guò)電壓充電，但是可以承受大電流充電，所以本次設(shè)計(jì)采用了大電流恒壓充電。主要過(guò)程為由220V/50Hz的交流市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓、橋式整流，電容濾波，然后用L4970大功率穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定輸出30V電壓，給超級(jí)電容進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)方案框圖如圖1示。

圖1 超級(jí)電容充電方案圖

2 超級(jí)電容充電電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)30V/50F的超級(jí)電容進(jìn)行充電。若采用5A大電流充電，假設(shè)超級(jí)電容的開始電壓為0，由公式Q=C△U=It，可以計(jì)算出充電時(shí)間為5分鐘。這完全符合充電時(shí)間短的要求?；诖吮敬卧O(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電壓為36V的恒壓充電電源給超級(jí)電容充電。圖2所示為超級(jí)電容充電電路。

本次設(shè)計(jì)整流部分采用橋式整流電路，運(yùn)用四個(gè)二極管的單向?qū)щ娮饔谜?。二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導(dǎo)通，在正半周D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；在負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓較高，紋波電壓小，二極管承受的最大反向電壓低。因電源變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。

由于充電器要求充電時(shí)間短，充電器必須要輸出大功率，此處選用的整流二極管其最大正向平均整流電流為10A，最大正向電壓1V。它具有反向漏電流低，正向浪涌承受能力較強(qiáng)，導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點(diǎn)，滿足此處整流的需求。當(dāng)以最大電流為10A充電時(shí)，單個(gè)二級(jí)管的正向?qū)▔航禐?V，則功耗有10W。得到的直流電壓V3=0.9V2。

濾波電路采用電容式濾波，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升到時(shí)，能把部分能力存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把電場(chǎng)能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，達(dá)到平波的作用。濾波部分選用兩個(gè)3.3mF/50V的電容C1、C2濾波。

為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，選擇了L4970大功率穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，L4970是由DMOS開關(guān)功率管，混合式COMS等集成電路制成的開關(guān)芯片，能夠承受最大輸出10A電流；開關(guān)頻率高，可達(dá)400kHz，此處選擇200kHz，電源效率高，減小了濾波電容的體積；輸入輸出壓差低，約為1.1V，使其自身的耗能低，效率可以達(dá)到95%；輸入電壓范圍為15V-50V；輸出電壓可在5.1V-40V范圍內(nèi)調(diào)動(dòng)；有軟啟動(dòng)、限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓鎖定、PWM鎖定和掉電復(fù)位等電路組成。芯片的工作過(guò)程為：首先把輸出電壓V0或經(jīng)R1、R2和W組成的取樣電路的反饋電壓Vf和5.1V的基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差電壓和Vr、VJ比較獲得PWM信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)DMOS功率管，外接L、VD和C構(gòu)成降壓電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。1腳和2腳接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻R4和電容C9，頻率此處取200kHz，工作效率可以達(dá)94%。接3腳的R1和R2構(gòu)成分壓器，用以設(shè)定復(fù)位閥值電壓VIL為11V，當(dāng)VIL不大于11V時(shí)，輸出V0=0，復(fù)位輸出=0。4腳LED亮著表示正常輸出。5腳C6為復(fù)位延遲電容。6腳C10為自舉電容，用于升功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電壓，使功率管獲大電流輸出。7腳C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，限制儲(chǔ)能電感L當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓，VD為續(xù)流的作用。8腳為通用接地端。9腳為穩(wěn)壓輸入端。10腳R3和C8構(gòu)成誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，C7用于高頻補(bǔ)償。11腳為反饋的調(diào)節(jié)輸入端。12腳C5為軟啟動(dòng)電容。13腳同步輸入端，用于多片同時(shí)使用。14腳C4和15腳的C3為芯片內(nèi)部+5.1V和+12V基準(zhǔn)電壓的濾波電容。

L4970A工作在200kHz的頻率下，它的工作效率為94%。此時(shí)定時(shí)電阻R4取16kΩ，定時(shí)電容C9取220pF。開關(guān)頻率和自舉電容C10的對(duì)應(yīng)關(guān)系為200kHz，0.22 uF。儲(chǔ)能電感L一般取值40uH-150uH，設(shè)計(jì)中選取120uH。當(dāng)輸出電壓取30V即大于22V，頻率取為200kHz時(shí)，效率可以達(dá)到94%。想要得到30V的輸出電壓，電阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，計(jì)算得出電阻W的取值為2.9kΩ。

充電器從市電220V/50Hz交流輸入，通過(guò)變壓器后得到36V的交流電。查L(zhǎng)4970A芯片資料可知其在溫度小于120℃的時(shí)候最大功耗Pu=30W，給超級(jí)電容以5A/30V充電的功率Po=150W，10A10整流二極管導(dǎo)通導(dǎo)通時(shí)壓降為1V，電流為5A，所以其兩個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)的管耗為Pb=10W。L4970A的效率為94%，超級(jí)電容充電效率90%，綜合效率約為85%。由公式

計(jì)算得出變壓器容量Sc=224VA。由此可以選取容量為0.25kVA的變壓器作為本設(shè)計(jì)的變壓器。

3 超級(jí)電容放電控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用集成電路LM339構(gòu)成的超級(jí)電容的放電控制電路，LM339由四個(gè)電壓比較器組成，由于其兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，選用LM339在此處做信號(hào)檢測(cè)能夠達(dá)到比較理想的效果。LM339由四個(gè)電壓比較器組成了電動(dòng)自行車控制電路的調(diào)速電路，過(guò)流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路和剎車電路。

4 超級(jí)電容的放電實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用的是30V/50F的超級(jí)電容，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，超級(jí)電容的滿充電壓為30V，充電時(shí)間大概8分鐘。試驗(yàn)的電動(dòng)自行車電機(jī)的額定電壓為30V。超級(jí)電容器的容量為50F，為了增加超級(jí)電容的容量，我們采用了兩個(gè)30V超級(jí)電容并聯(lián)放電，但是結(jié)果并不理想，只能跑1000m左右。后來(lái)又加了兩個(gè)30V/60F的超級(jí)電容，容量變大了，車程也相應(yīng)的增加到3km左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430單片機(jī)的電動(dòng)自行車充電器設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2009，38（5）：153-155.

[2]劉龍江，白志峰，曹秉剛.一種電動(dòng)汽車用的超級(jí)電容控制器[J].電子元器件應(yīng)用，2003，5（3）：7-9.

[3]趙坤，等.車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（9）：124-129.

基金項(xiàng)目：

本文得到地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201310354008）資助；嘉興學(xué)院2013年度校級(jí)一般SRT計(jì)劃項(xiàng)目（超級(jí)電容器充放電控制器的設(shè)計(jì)）資助。endprint

摘要：本文基于超級(jí)電容在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用，根據(jù)超級(jí)電容的特性設(shè)計(jì)了充、放電控制電路，給出了設(shè)計(jì)方案，并推導(dǎo)出元件參數(shù)，設(shè)計(jì)的控制器在電動(dòng)自行車上試驗(yàn)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容 電動(dòng)自行車 控制器

超級(jí)電容是近年發(fā)展快速的一種大容量?jī)?chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、效率高、使用壽命長(zhǎng)、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容具有90%以上的充放電效率，充放電電流可達(dá)數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達(dá)10萬(wàn)次以上。超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在通訊、電子、鐵路、航空以及軍事等領(lǐng)域起的作用越來(lái)越大。當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視，超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車和混合式動(dòng)力車上的前景廣闊，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源。本文將超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)自行車上，其可作為電池的輔助電源或取代電池作為動(dòng)力源，以滿足電動(dòng)自行車在啟動(dòng)、加速、爬坡或加載時(shí)的高功率要求。

1 超級(jí)電容充電器的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器在使用中，應(yīng)該要注意以下問(wèn)題：①超級(jí)電容器有固定的極性，在使用前注意確認(rèn)其極性。②超級(jí)電容器需要在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)工作電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓的時(shí)侯會(huì)導(dǎo)致其電解液的分解，電容器發(fā)熱，容量也隨著下降，內(nèi)阻增加，壽命將縮短。③超級(jí)電容器不能在高頻充放電電路中使用，在高頻率的充放電電路下，會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱更多，容量衰減，內(nèi)阻增加，甚至?xí)?dǎo)致電容器的性能崩潰。④當(dāng)多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)使用會(huì)導(dǎo)致某些單體電容器過(guò)壓，整體性能會(huì)受到影響，甚至?xí)p壞這些電容器。根據(jù)以上對(duì)超級(jí)電容特性的分析，超級(jí)電容不能過(guò)電壓充電，但是可以承受大電流充電，所以本次設(shè)計(jì)采用了大電流恒壓充電。主要過(guò)程為由220V/50Hz的交流市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓、橋式整流，電容濾波，然后用L4970大功率穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定輸出30V電壓，給超級(jí)電容進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)方案框圖如圖1示。

圖1 超級(jí)電容充電方案圖

2 超級(jí)電容充電電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)30V/50F的超級(jí)電容進(jìn)行充電。若采用5A大電流充電，假設(shè)超級(jí)電容的開始電壓為0，由公式Q=C△U=It，可以計(jì)算出充電時(shí)間為5分鐘。這完全符合充電時(shí)間短的要求。基于此本次設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出電壓為36V的恒壓充電電源給超級(jí)電容充電。圖2所示為超級(jí)電容充電電路。

本次設(shè)計(jì)整流部分采用橋式整流電路，運(yùn)用四個(gè)二極管的單向?qū)щ娮饔谜?。二極管D1、D3和D2、D4兩兩輪流導(dǎo)通，在正半周D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；在負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓較高，紋波電壓小，二極管承受的最大反向電壓低。因電源變壓器在正負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。

由于充電器要求充電時(shí)間短，充電器必須要輸出大功率，此處選用的整流二極管其最大正向平均整流電流為10A，最大正向電壓1V。它具有反向漏電流低，正向浪涌承受能力較強(qiáng)，導(dǎo)通壓降低等優(yōu)點(diǎn)，滿足此處整流的需求。當(dāng)以最大電流為10A充電時(shí)，單個(gè)二級(jí)管的正向?qū)▔航禐?V，則功耗有10W。得到的直流電壓V3=0.9V2。

濾波電路采用電容式濾波，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升到時(shí)，能把部分能力存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把電場(chǎng)能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，達(dá)到平波的作用。濾波部分選用兩個(gè)3.3mF/50V的電容C1、C2濾波。

為了得到穩(wěn)定的電壓輸出，選擇了L4970大功率穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，L4970是由DMOS開關(guān)功率管，混合式COMS等集成電路制成的開關(guān)芯片，能夠承受最大輸出10A電流；開關(guān)頻率高，可達(dá)400kHz，此處選擇200kHz，電源效率高，減小了濾波電容的體積；輸入輸出壓差低，約為1.1V，使其自身的耗能低，效率可以達(dá)到95%；輸入電壓范圍為15V-50V；輸出電壓可在5.1V-40V范圍內(nèi)調(diào)動(dòng)；有軟啟動(dòng)、限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓鎖定、PWM鎖定和掉電復(fù)位等電路組成。芯片的工作過(guò)程為：首先把輸出電壓V0或經(jīng)R1、R2和W組成的取樣電路的反饋電壓Vf和5.1V的基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生的誤差電壓和Vr、VJ比較獲得PWM信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)DMOS功率管，外接L、VD和C構(gòu)成降壓電路，得到穩(wěn)定輸出電壓。1腳和2腳接鋸齒波振蕩器外部定時(shí)電阻R4和電容C9，頻率此處取200kHz，工作效率可以達(dá)94%。接3腳的R1和R2構(gòu)成分壓器，用以設(shè)定復(fù)位閥值電壓VIL為11V，當(dāng)VIL不大于11V時(shí)，輸出V0=0，復(fù)位輸出=0。4腳LED亮著表示正常輸出。5腳C6為復(fù)位延遲電容。6腳C10為自舉電容，用于升功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電壓，使功率管獲大電流輸出。7腳C11和R5構(gòu)成吸收網(wǎng)絡(luò)，限制儲(chǔ)能電感L當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的尖峰電壓，VD為續(xù)流的作用。8腳為通用接地端。9腳為穩(wěn)壓輸入端。10腳R3和C8構(gòu)成誤差放大器的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，C7用于高頻補(bǔ)償。11腳為反饋的調(diào)節(jié)輸入端。12腳C5為軟啟動(dòng)電容。13腳同步輸入端，用于多片同時(shí)使用。14腳C4和15腳的C3為芯片內(nèi)部+5.1V和+12V基準(zhǔn)電壓的濾波電容。

L4970A工作在200kHz的頻率下，它的工作效率為94%。此時(shí)定時(shí)電阻R4取16kΩ，定時(shí)電容C9取220pF。開關(guān)頻率和自舉電容C10的對(duì)應(yīng)關(guān)系為200kHz，0.22 uF。儲(chǔ)能電感L一般取值40uH-150uH，設(shè)計(jì)中選取120uH。當(dāng)輸出電壓取30V即大于22V，頻率取為200kHz時(shí)，效率可以達(dá)到94%。想要得到30V的輸出電壓，電阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，計(jì)算得出電阻W的取值為2.9kΩ。

充電器從市電220V/50Hz交流輸入，通過(guò)變壓器后得到36V的交流電。查L(zhǎng)4970A芯片資料可知其在溫度小于120℃的時(shí)候最大功耗Pu=30W，給超級(jí)電容以5A/30V充電的功率Po=150W，10A10整流二極管導(dǎo)通導(dǎo)通時(shí)壓降為1V，電流為5A，所以其兩個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)的管耗為Pb=10W。L4970A的效率為94%，超級(jí)電容充電效率90%，綜合效率約為85%。由公式

計(jì)算得出變壓器容量Sc=224VA。由此可以選取容量為0.25kVA的變壓器作為本設(shè)計(jì)的變壓器。

3 超級(jí)電容放電控制電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用集成電路LM339構(gòu)成的超級(jí)電容的放電控制電路，LM339由四個(gè)電壓比較器組成，由于其兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，選用LM339在此處做信號(hào)檢測(cè)能夠達(dá)到比較理想的效果。LM339由四個(gè)電壓比較器組成了電動(dòng)自行車控制電路的調(diào)速電路，過(guò)流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路和剎車電路。

4 超級(jí)電容的放電實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用的是30V/50F的超級(jí)電容，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，超級(jí)電容的滿充電壓為30V，充電時(shí)間大概8分鐘。試驗(yàn)的電動(dòng)自行車電機(jī)的額定電壓為30V。超級(jí)電容器的容量為50F，為了增加超級(jí)電容的容量，我們采用了兩個(gè)30V超級(jí)電容并聯(lián)放電，但是結(jié)果并不理想，只能跑1000m左右。后來(lái)又加了兩個(gè)30V/60F的超級(jí)電容，容量變大了，車程也相應(yīng)的增加到3km左右。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

本文得到地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201310354008）資助；嘉興學(xué)院2013年度校級(jí)一般SRT計(jì)劃項(xiàng)目（超級(jí)電容器充放電控制器的設(shè)計(jì)）資助。endprint