超级电容充电策略（精选6篇）
超级电容充电策略 篇1
美国德克萨斯大学奥斯汀科克雷尔工程学院的研究人员在材料科学和机械工程学教授罗德尼·鲁夫的带领下, 制成了一种新型超级电容 (DLC) , 可在不到1毫秒的时间内可完成充电。
据了解, 超级电容也称双电层电容器, 是一种新型储能装置。通常能在几秒钟内完成充电, 此外, 还具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点, 在数码相机、掌上电脑、新能源汽车等领域都有着广泛的应用价值。
超级电容主要通过导体的表面来存储电荷, 因此, 用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集, 其电容量越大。据悉, 目前现有的超级电容大多采用多孔化活性炭结构来扩大储能面积, 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离, 使其与普通电容相比储能容量更大, 与电池相比能量传递速度更快。不过, 就某些设备而言, 区区几秒的充电时间仍然显得有些长, 因此, 科研人员一直在试图进一步缩短其充电时间。
美国俄亥俄州谢克海茨市JME电容公司总裁约翰·米勒表示, 这次研发实际上是对此前的超级电容的结构和电极进行了新的设计, 使其充电的时间缩短到了200微秒。而人类每次眨眼的时间约为0.2秒至0.4秒, 即20万微秒至40万微秒, 这种超级电容的充电时间比人类眨眼时间还短。
该电容整体由一组与底座垂直的石墨烯基片构成:石墨烯基片只有一个原子厚, 由等离子体化学沉积而成;其基座由10纳米厚的石墨制成。米勒形象地称其为“一组600纳米高的土豆片并排站在一起”。实验显示, 与原先的多孔化活性炭结构制成的超级电容相比, 新电容效率更高, 能在更短的时间内完成充电。
研究小组称, 这种新型超级电容不但能够取代比其大6倍的传统电容以腾出更多的空间, 还能更好地平抑电路中的电压波动。此外, 该电容还在一个交流整流滤波电路的测试中获得了成功, 而先前由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属, 超级电容曾一度被认为不能用于交流电路。
罗德尼·鲁夫教授表示, 下一步他的科研小组还将设法使石墨烯薄片变得更长、更平行, 以在最大电容量和离子流最小束缚中找到一个平衡点, 使超级电容发挥出更好的性能。随着重量和尺寸逐渐缩小, 超级电容还将在航空、航天、军事等更多领域获得应用。
超级电容充电策略 篇2
随着超级电容器 (SCAP) 的生产成本持续下降, 这类电容器在传统电容器和充电器之间于市场上开辟了一个新路径。尽管超级电容器需要某种程度的“护理和喂养”, 但是在需要大电流/短持续时间备份电源的数据存储应用中, 这类电容器正在取代电池。此外, 这类电容器也正在进入需要大电流突发或短时间电池备份的各种高峰值功率及便携式应用中。与电池相比, 超级电容器外形尺寸更小, 提供峰值功率更高的脉冲, 在更宽的工作温度范围内具备更长的充电周期寿命。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比, 超级电容器在相似的外形尺寸和重量情况下可提供更高的能量密度和更大的容量。此外, 通过降低电容器的“Top-off”电压并避免高温 (>50℃) , 超级电容器的寿命得到了最大限度地延长。超级电容器与电容器及电池的比较如表1所示。
2 超级电容器设计挑战
超级电容器有很多优势, 然而, 当为串联的能量存储器件充电时, 最终产品设计师可能会面临诸如容量平衡、充电时电池过压损坏、吸取过大电流以及在空间关键时的大解决方案占板面积等问题。
串联连接电容器的容量平衡可确保每节电池上的电压近似相等。超级电容器如果容量不平衡, 可能导致过压损坏。每节电池有一个平衡电阻器的外部电路是一种解决方案。平衡电阻器的值将取决于超级电容器的工作温度和充电/放电曲线。为了限制超级电容器能量存储平衡电阻器引起的电流泄漏之影响, 设计师还可以使用一种电流非常低的主动平衡电路。另一种容量失配原因是泄漏电流不同。电容器的泄漏电流开始时非常高, 然后随时间变化衰减到较低的值。不过如果各节串联电池的泄漏电流失配, 那么这些电池再充电时也许会过压, 除非设计师用平衡电阻器应对泄漏电流。但是, 平衡电阻器增加了不想要的组件和负载电流, 加重了应用电路的负担。
3 超级电容器充电器IC设计挑战
超级电容器充电项目一开始, 设计师就必须考虑一些比较难以解决的问题。超级电容器充电电路需要提供:
(1) 高效率和大的充电电流。高效率、大电流降压-升压型超级电容器充电器/平衡器包括充分利用超级电容器的优势所需之所有功能。分立式解决方案尽管可以实现, 但是复杂、较大、效率较低而且准确度相对低。
(2) 高准确度和负载均分能力。具±2%准确度的输入电流限制和输入负载均分使多个负载能够以最小的降额/裕度均分同一电源的全部功能。这是采用分立式解决方案不能实现的。
(3) 主动平衡。大多数超级电容器系统都运用有损耗 (电阻器) 平衡方法。主动平衡在电容器之间高效地运送电荷, 消除了功率损耗和采用损耗方法所需的后续再充电周期。
4 针对超级电容器备份系统的最新解决方案
解决上述问题的降压-升压型IC超级电容器充电解决方案需要具备以下所有属性:
(1) 灵活性———必须在升压模式或降压模式高效地工作;
(2) 能够以可编程的最高电容器电压进行主动充电平衡;
(3) 提供大的充电电流;
(4) 具备准确的可编程平均输入电流限制;
(5) 占板面积很小的扁平解决方案;
(6) 采用先进的封装以提高热性能和空间利用率。
5 具备主动平衡功能的LTC3128降压-升压型超级电容器充电器
LTC3128是一款高效率、限制输入电流的降压-升压型超级电容器充电器, 具备针对一或两串超级电容器的主动充电平衡功能。该器件提供平均输入电流限制, 能够以±2%的准确度将电流限制设定为高达3 A, 从而防止电源过载, 同时最大限度地缩短电容器再充电时间。高效率主动充电平衡功能无需有损耗的外部镇流电阻器, 即使采用失配的电容器, 也可确保平衡运行和充电, 并减少再充电次数。可编程的最高电容器电压箝位功能跨串联电容器组中的每个电容器主动地监视和施加电压, 从而随电容器老化并逐渐出现容量失配时, 确保可靠运行。无论输出超级电容器电压是高于还是低于输入, 低噪声降压-升压型拓扑都允许给输出超级电容器充电。低RDS (ON) 、低栅极电荷同步开关提供高效率转换, 以最大限度缩短存储组件的充电时间。这些特点使LTC3128非常适合在备份电源应用中安全充电, 并保护大型电容器。参见图1的典型备份应用电路。
LTC3128的输入电流限制和最高电容器电压均可用单个电阻器设定。平均输入电流在0.5 A~3 A设定范围内可准确地控制, 而且单个电容器的最高电压可以设定在1.6 V~3.0 V范围。LTC3128的其他特点包括:突发模式 (Burst Mode誖) 工作时VOUT的静态电流<2μA、准确的电源良好和电源故障指示器、以及热过载保护。
6 高效率充电
给输出电容器充电时, LTC3128采用固定频率、平均输入电流PWM控制。专有开关算法允许充电器在降压和升压模式之间转换, 同时电感器电流或环路特性不会失去连续性。用于降压-升压型充电器的开关拓扑如图2所示。
两个开关 (D和E) 将SW2连至VOUT, 以在整个输出电压范围内提供高效率。LTC3128提供超过90%的高效率, 如图3曲线所示。
7 结论
超级电容充电策略 篇3
随着新能源技术的发展和应用, 储能技术也被大规模应用于新能源领域, 例如为最大限度地利用新能源发出的电能, 通过储能装置存储电能, 在负荷所需电能时, 储能装置释放电能, 实现削峰填谷的功能。而独立光伏系统就是利用储能装置实现该功能的典型应用, 在独立光伏发电系统中多使用蓄电池作为储能载体, 采用循环使用方式和浮充使用方式相结合, 白天将太阳能转换为电能对蓄电池充电, 晚上或阴雨天再由储能用蓄电池向负载提供电能。这种方式在太阳能路灯等系统中得到了广泛的应用, 并且取得了良好的使用效果。
蓄电池作为使用最多的储能电池, 有着能量密度大、价格低廉等特点, 但也存在着循环寿命短、充放电电流限制严格, 长时间在恶劣环境下容易导致过早失效和容量损失等缺点。而当前处于试用阶段的超级电容则具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、维护成本低等优点。同时, 对于独立光伏系统中的储能系统, 不仅要满足在所供电能富裕时存储, 所供电能匮乏时补偿, 还要满足当大功率负载突然接入系统时能够及时补偿电能的需求, 抑制电压跌落, 因此仅依靠功率密度小的电池 (如铅酸蓄电池) 是不可行的, 使用功率密度大的电池 (如超级电容器) 则可很快抑制住电压跌落, 从而保证整个系统的电能质量。
充电技术对于储能设备的寿命、工作性能有很大影响, 基本的充电方法有两种, 恒流充电和恒压充电, 可以根据系统的工作情况通过控制器选择适当的充电方式。
1 独立光伏发电系统
图1是独立光伏发电系统的结构图, 它是指太阳能电池输出的直流电通过储能元件供给直流负载, 或者增加逆变器, 使其也可向交流负载供电, 但不与交流大电网连接。因此, 独立光伏发电系统的产生及应用对于光照富裕且偏僻边远地区有着重要的意义[1]。
2 超级电容器的工作原理
超级电容器是基于双电层原理的大容量电容器, 当外加电压作用于普通电容器的两个极板时, 装置存储电荷的原理是一样的, 即正电极与正电荷对应、负电极与负电荷对应。而超级电容器除了这些功能外, 若其受到电场作用则会在电解液、电极之间产生相反的电荷, 此时正电荷、负电荷分别处于不同的接触面, 这种条件下的负荷分布则属于双电层, 超级电容器的结构如图2所示[1]。
因电容器结构组合上的改进, 超级电容器的电容储存量极大。此外, 如果超级电容器两极板间电势小于电解液的标准电位时, 超级电容器则是正常的工作状态, 相反则不正常。根据超级电容器原理, 其在运行过程中并没有出现化学反应, 仅是在物理性质上的变化, 因而超级电容器的稳定性更加可靠。超级电容器的主要优点: (1) 超级电容器的单体容量级别可达到上百法拉; (2) 超级电容器对充放电电路结构的要求较低, 且电容器的使用寿命受到过充、过放影响较小; (3) 在安装超级电容器时可根据需要进行焊接处理, 防止电池接触不良等现象的发生。但是超级电容也存在着缺点: (1) 超级电容器安装位置不合理, 容易引起电解质泄漏等问题; (2) 超级电容器仅限于直流电路的使用, 与铝电解电容器相比, 超级电容器的内阻更大, 不适合交流电路的运行要求; (3) 超级电容器单体电压较小, 一般在2.5~2.7 V, 所以需要串联, 但串联过程中由于每个单体参数并不完全一样, 所以需要串联均压电路; (4) 由于超级电容器是新一代高科技产品, 推向市场不久, 价格相对较高。
3 超级电容器的建模
超级电容内部结构非常复杂, 主要包括两个插入电解液中的多孔电极、两个金属集电极、电解液、一个离子导通的隔膜, 其中电极和电解液构成的两相界面是空间分布的, 因此其动态特性很难描述。目前常见的超级电容器等效电路模型主要有三支路模型、传输线模型、串联RC模型、改进的串联RC电路模型、线性RC网络模型、神经网络模型等[2]。
3.1 三支路模型
三支路模型又称非线性RC模型, 是目前比较常用的描述超级电容器工作状态的模型, 它可以比较精确地描述超级电容器在30 min内的端口特性。如图3所示, 三支路模型将超级电容器分成瞬时、延时、长期三个支路, 每个支路的时间常数逐渐增加, 且大于前一个支路超过至少一个数量级。左起第一个支路决定了超级电容器在秒级的充电响应;第二个支路描述了超级电容器在几分钟内的工作特性;第三个支路则描述了超级电容器在10 min后的工作状态;并联漏电阻Rlea, 反映了超级电容器的长时间放电特性。提出了一种改进的基于物理-端行为特性的超级电容三支路模型, 在即时分支电路里采用了一个电压受即时电路端电压控制的电压源和一时间常数恒定的电容串联来模拟超级电容器的即时特性。
3.2 传输线模型
如图4所示为超级电容器传输线模型, 其理论基础是超级电容器极化电极中的每一个孔都有无数孔嵌套成, 每个孔都有各自的电容和阻抗行为, 而每个孔的电化学行为都与孔径、孔容及孔型等密切相关, 同时每个孔的电容和电阻都随电位、角频率等外部因素而变化, 活性炭电极的等效模拟电路应由无数个子电路串并联嵌套而成。传输线模型因为具有特定的物理意义, 因此被认为能够比较准确地描述超级电容器的特性[3]。
3.3 串联RC电路模型
如图5所示, 串联RC电路模型是超级电容器模型中最简单的一种等效电路模型, C是理想电容, Rs是等效串联电阻, 它不仅反映了超级电容器内部的发热损耗, 而且在向负载放电时将随着电流的大小变化引起不同的压降, 对超级电容器的最大放电电流有所约束。
该模型虽然结构简单, 便于进行超级电容器的充放电分析和计算, 且参数不需要通过复杂的实验获取, 但是不能精确地描述超级电容器长期的工作状态。
3.4 改进的串联RC电路模型
改进的串联RC电路模型如图6所示, 由理想电容C、串联等效电阻Rs和并联等效电阻Rp组成。并联等效电阻用来表征超级电容器的漏电流效应, 是影响超级电容器长期储能的参数。这个模型能够反映出超级电容器的基本物理特性。相对RC电路模型, 该模型能较精确地描述电容器长期的工作状态[4]。
为了能够对该改进RC电路模型进行定量分析, 假设充电时的功率为P, 电流为ii (t) , 电压ui (t) 。由图6可推出公式 (1) 。
超级电容器改进RC电路模型中电容C两端的电压uc (t) , 由电路模型知, 该电路属于一阶全响应电路, 从而根据一阶全响应解的公式[5]:
代入得到:
4 超级电容器充电性能分析
超级电容器的充电控制策略会对超级电容器的充电效率及其使用寿命产生一定的影响, 因此接下来主要分析超级电容器的各种充电方法对其性能的影响。为了便于分析超级电容器在各种模式下的充电性能, 设置超级电容器起始零时刻的电压uc (0+) 为0 V。同时, 为了便于对超级电容充电性能进行定量分析, 取改进RC模型中的电容C=50 F, 串联电阻Rs=25 mΩ, 并联电阻Rp=20 kΩ。
4.1 恒压充电
超级电容器恒压充电法是指以接近额定电压的电压对其充电。在充电初期, 由于电源电压和超级电容器端电压之间压差较大, 瞬间冲击电流很大, 在实际充电时需要进行限流处理。随着充电时间增加, 超级电容器端电压上升, 充电电流逐渐减小, 直至超级电容器端电压和给定电压一致, 充电结束。在超级电容器保持静止时, 恒压充电方式还可不断地补充超级电容器自放电损失的电能[6]。
在恒压充电时, 加在超级电容器两端的电压是恒定不变的, 即输入电压ui (t) 为常数Ui。然后将Ui代入公式 (3) 和 (4) , 得到超级电容器在恒压充电时, 改进RC电路模型中的电压uc (t) 和输入电流ii (t) 的计算公式。
由上述两个公式可以看出改进RC模型电容C两端的电压除了包含一个常数分量外, 还包含了一个按指数规律递增的分量。因此, 随着时间的推移电容C两端电压的增加值逐渐变慢, 直至最后达到一个恒定的值。而输入电流则除了包含一个常数分量外, 还包含一个按指数规律递减的分量。所以输入电流会渐渐趋于一个稳定的值, 其大小等于所包含的直流分量。
根据公式 (5) 和 (6) , 计算出由0时刻到时间T之间改进RC模型电容C所存储的电能Wc和整个等效模型所吸收的电能Wi[7]。
然后, 根据公式 (7) 和 (8) 计算出恒压充电时的充电效率η。
由公式 (9) 可以绘出超级电容器在恒压充电时的充电效率曲线, 根据所取的参数, 得到在30 s内的充电效率曲线。如图7所示, 恒压充电时, 超级电容器的充电效率最大只能达到50%。根据以上定量分析可知, 该充电方式的特点是恒压控制较为简单, 缺点是充电效率较低。
4.2 恒流充电
超电容器电压上升率在恒流充电时基本保持不变, 由此可以看出在恒流充电时超级电容器端电压随时间线性上升。但不能让电压持续升高到超过超级电容器的额定电压, 否则会造成过压, 严重影响超级电容器的使用寿命。因此恒流限压充电法是当前较常见的超级电容器充电方式, 可根据容量和对充电时间等参数的要求灵活选择电流大小, 也可以使用递减分段恒流充电方式, 从而更好地保护超级电容器。
在恒流充电时, 超级电容器输入电流是恒定不变的, 即输入电流ii (t) 为常数I。然后将I代入公式 (1) , 得到超级电容器在恒流充电时, 改进RC电路模型中的电压uc (t) 的计算公式[8]。
改进RC电路模型中电容两端的电压包含一个常数项和一个按指数规律递增的分量。根据在恒流条件下得到的公式 (10) , 计算出由0时刻到时间T之间改进RC电路模型中电容C所存储的电能Wc和整个等效模型所吸收的电能Wi。
然后, 根据公式 (11) 和 (12) 计算出恒流充电时的充电效率η。
由公式 (13) 可以绘出超级电容器在恒流充电时的充电效率曲线, 根据超级电容器模型设定的参数, 得到在30 s内的充电效率曲线。如图8所示, 超级电容器在恒流充电时, 随着时间的延长充电效率逐渐提高, 在短时间内充电效率可超过90%。因此, 恒流充电效率比恒压充电方式效率高[9]。
4.3 恒功率充电
恒功率充电方式下, 在初期以较小电压较大电流对超级电容器充电, 随着端电压的上升充电电流逐渐减小, 直至电流基本为零, 端电压达到稳定值。使用此种方式充电, 可在保证充电效率的前提下, 较好地控制充电时间, 较适合对超级电容器充电。
恒功率充电时, 超级电容器的输入功率为恒值P, 根据公式 (1) 可以得出关于改进RC电路模型中电容C的微分方程。
可以看出公式 (14) 是一个二阶非齐次微分方程, 求解较困难, 但为了能定量分析恒功率充电方式下超级电容器的充电效率, 根据公式 (1) 计算出改进RC电路模型中电容C的端电压和输入电流之间的关系[10]。
由公式 (15) 以及公式 (1) 中输入电压的计算公式, 再根据输入电压和输入电流的乘积为常数 (恒功率) , 在Matlab中编程相关的程序。设定ui的初始值为0 V;uc的初始值为0 V;ii的初始值为70 A;恒定输入功率为100 W。然后, 按照图9恒功率方式充电效率计算流程图所示计算充电效率[11]。
通过图9及设定的初始值, 从而将计算出的各个时间点的充电效率绘成图10。由该图可以看出, 恒功率充电效率要略高于恒流充电效率。
超级电容器恒压充电方式下, 充电电路控制简单, 实现容易, 但充电效率低, 最多只有50%。恒流充电方式下, 充电速度快, 电压随时间上升速度易计算, 充电电流较小时充电效率高, 但充电电路功率随超级电容器电压上升而增大, 对充电电路功率要求高。恒功率充电方式下, 充电效率随超级电容器电压上升而提高, 但充电开始时效率较低, 且充电电流大, 对充电电路的电流应力要求较高。对于超级电容器恒压、恒流、恒功率充电方式的比较可以看出, 不同的充电方式各具优点和缺点, 因此需要根据不同的应用场合选择不同的充电方式。
另外, 超级电容器可快速吸收电能, 能平抑高峰脉冲功率, 表现出良好的脉冲充电特性。例如在电动汽车制动能量回收系统中, 超级电容器可以很好地吸收制动瞬间产生的脉冲功率并进行储能。
5 超级电容器充电实验与分析
超级电容器的充电实验主要包括恒压、恒流和恒功率充电。首先, 恒压充电模式主要是应用于超级电容器接近额定电压值时, 因此恒压充电实验设定为24 V输出, 从而得到超级电容器恒压充电的输出电压波形如图11所示。
根据图11可以看出, 对超级电容器单独恒压充电时, 变换器输出电压的峰峰值为1.6 V, 平均电压为24.1 V, 此时电压波动相对较大。其主要原因是超级电容器的额定容量下 (能量密度小) , 恒压充电时超级电容器已基本接近额定容量, 电压变化很小, 但相对于蓄电池而言变化还是较大, 所以其电压波动比蓄电池恒压充电时较大。
恒流充电模式主要应用于超级电容器的充电的起始阶段, 此时超级电容器的电压比较小, 所以充电电流也不宜过大, 实验时设定输出电流为2 A。在采集电流数据时, 由于示波器只能采集电压不能采集电流值, 因此通过本文设计的上位机GUI程序采集电流, 并将保存的数据在监控界面右侧的绘图窗口绘出, 因而得到超级电容器恒流充电的输出电流波形如图12所示。
恒功率充电模式是超级电容器充电过程中主要充电模式, 此时充电功率恒定。据建模分析可知, 恒功率充电效率最高。实验时设定恒定输出功率50 W, 数据采集通过设计的上位机GUI程序进行电压和电流数据的采集, 从而得到超级电容器恒功率充电的输出电压、电流及功率波形如图13所示[12]。
图13中a) 图是在实验过程中上位机GUI获得的电压波形, 由于DSP发送至上位机的电压量是整型的, 电压值的小数部分被舍去, 所以在图中出现了在一段时间内电压不变的情况, 但整体上电压是逐渐上升的。b) 图即为超级电容器恒功率充电时的电流变化, 与超级电容器恒流充电相比, 电流的波动较大。主要原因是恒功率充电时设定的是功率给定量, 但电压传感器和电流传感器的本身就存在着一定的系统误差, 而二者系统误差的乘积导致误差就更大, 因此出现了电流波动大。但电流随着时间的推移电流时逐渐减小的。而c) 图则为超级电容器恒功率充电时变换器输出功率, 由该图可知, 功率的波动也比较大, 但基本维持在50 W左右, 因此超级电容器的恒功率充电对于本储能系统是可行的。
6 结语
超级电容充电策略 篇4
为应对日益严重的能源危机和环境污染问题, 世界各国均致力于新型能源和节能产品的开发应用。太阳能作为一种公认的新型、环保、可再生能源受到了广泛的关注, 但由于光伏电池生产成本高、并网时的逆变成本高以及输出电压随光照强度波动较大等技术瓶颈, 太阳能发电技术尚未得到普及应用。而超级电容作为近几年新兴的储能器件, 具有充放电速度快、使用寿命长、温度特性好、不存在记忆效应、不会因过充过放而损坏等优点, 正在逐步取代传统高污染、高能耗的储能产品, 成为未来储能器件的首选。但超级电容和铝电解电容器相比内阻较大, 不适于交流电路, 同时储能时间等技术瓶颈也在限制着它的普及应用。本设计将两者巧妙结合, 充分利用应急充电器平时长期闲置, 应急时快速向手机充电的应用特点, 避开了太阳能逆变以及超级电容储能时间有限等技术瓶颈, 对两种新兴技术的应用进行了有效的探索。
1 设计思路
该设计的基本思路是针对光伏电池、超级电容性的性能特点设计相应的智能控制电路, 实现在光照充足时智能储能, 在连接手机后快速充电的功能。在设计过程中, 将这款“基于超级电容的太阳能应急手机充电器”分为光伏电池供能单元、超级电容储能单元和智能控制电路三部分, 进行模块化开发设计。 (见图1) 在光伏电池供能单元的设计过程中对目前市面上各类光伏电池的性能指标进行分析对比, 通过实验选择合适的光伏电池类型, 并根据对充电电量、充电速度的需求计算需要光伏电池的功率。在超级电容储能单元的设计过程中, 在通过大量实验全面了解超级电容主要参数和工作性能的基础上, 根据充电电量、充电速度计算出所需容量, 并着重解决超级电容电池输出电流不稳定、输出电压较低等技术难题。在此基础上, 针对光伏电池输出不稳定和超级电容电池的工作特点设计相应的电压匹配电路、过充保护电路、充电指示电路等周边电路, 重点设计充电智能控制电路, 使系统能够智能化运行, 实现打开关后, 智能控制电路即检测超级电容储存电量, 选择合适的模式进行充电, 同时以LED指示灯直观显示超级电容储存电量。在智能充电控制环节的开发设计中, 要实现智能检测手机剩余电量, 并根据手机电池剩余电量, 在大电流恒流充电、恒电压充电和涓流充电三种模式中选择合适模式对手机充电。
除此之外, 在设计控制电路时, 还要保证在光照充足的情况下光伏电池快速高效的向超级电容充电, 以及防止在光照不足的情况下出现超级电容向光伏电池产生反灌电流。同时还要根据目前市场上手机电池的参数设置一个超级电容向手机电池充电的充电控制电路, 该电路电压电流必须合适、稳定, 在保证能够快速充电的前提下有效延长手机电池的使用寿命。
2 设计过程
2.1 核心器件的选择
目前, 市场上各种型号的单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池种类很多, 我们经过对各类光伏电池的核心指标进行测试对比, 结合应急充电器高速充电的要求, 选择了环能效率最高的单晶硅太阳能电池, 并综合考虑充电器体积、充电设备电量、充电速度等指标, 最终选择了6V5.5W的单晶硅太阳能电池。该光伏电池转化效率为15%左右, 输出电压约为6V, 输出电流最高可达900m A, 满足本系统设计要求。
在超级电容储能单元的设计过程中, 为均衡储能时间和放电速度两大指标, 在通过大量实验全面了解超级电容主要参数和工作性能的基础上, 本系统采取了6个单体电压2.7V电容500F的超级电容器两两串联、三组并联的混连方式构成储能单元。
2.2 超级电容充电模块设计
为保证光伏电池稳定向超级电容充电, 实现光伏电池与超级电容的电压匹配, 须将光伏电池输出直流电压转换成值为5.29V的稳定直流电压。在设计过程中, 我们基于开关型集成稳压芯片LM2596, 设计了光伏电池与超级电容之间的智能充电控制电路 (见图2) .该电路利用旁路电容C1的储能特性提高输入电压的稳定性;利用电阻R2和R1构成分压电路为LM2596提供反馈信号;利用肖特基二极管D1实现隔离和前卫保护作用;利用C2减小输出纹波的作用;电感L1和肖特基二极管构成反激式降压 (back) 电路。可以达到3A的最大输出电路, 实现了光照快速储能。
2.3 储能环节的保护电路设计
为防止超级电容组过充我们还设计了双重保护电路, 并以LED灯指示充电状态 (见图3) 。电路以LM358为核心进行电压比较, 利用电阻器R4与稳压二极管D3串联产生5.3V的电压输入电压比较器的同相输入端, 利用电阻器R6与R7构成串联分压电路, 采集超级电容组电压并送入电压比较器的反相输入端。当超级电容组电压低于5.3V时, 比较器输出高电平, 三极管Q1导通, CEN节点被拉低, 使充电电路中的LM2596工作, 同时红色发光二极管亮, 表示正在充电;当超级电容组电压高于5.3V时, 比较器输出低电平, 三极管Q1截止, CEN节点被拉高, 使充电电路中的LM2596停止工作, 绿色发光二极管亮, 表示已经充满。
2.4 智能充电控制电路
为实现超级电容输出电压与充电电路输入电压的匹配, 我们以电压转换电路TP3605为核心设计了DC-DC直流电压变换电路 (见图4) , 该电路还具有过温保护、关断保护、欠压保护、过流保护等保护机制, 转换效率可达94%以上。
为充分利用超级电容大电流充放电的优点, 我们还基于TP4056设计一款并联大电流充电电路 (见图5) , 该电路可以根据被充电设备的剩余电量选择大电流充电或者浮充充电模式, 具有防止倒充的保护功能, 我们还根据其充电模式设置了LED指示灯, 以红色LED2显示充电工作状态, 以绿色LED1显示充电完成工作状态, 电阻R4为热耗散功率电阻。
3 总结
在模块设计完成后我们进行了系统集成、仿真调试并制作出了实物模型。在对模型的实测过程中, 基本实现了应急充电的预期设计功能。在实测中我们也意识到, 虽然超级电容具有充放电速度快、功率密度高等优点, 但是目前超级电容还存在能量密度相对较低等缺点, 受制于材料等因素, 超级电容技术还有待完善。特别是目前市场上的充电管理芯片输入电压范围较小, 导致超级电容利用率低;此外, 电压变换电路输出电流偏低也导致超级电容大电流充放电的优点无法体现;如果一味提升充电电流, 受到锂电池性能的影响又存在一定的安全隐患。这些问题都需要我们进一步的研究解决。
此次便携式移动电源的开发设计, 是对新型能源和环保储能元件应用的有益尝试, 且具有一定的社会实用价值。我们也希望通过该设计, 探索一条应对能源危机、解决环境污染问题的技术革新之路。
摘要：为解决手机等数码产品外出期间电池续航能力不足的困扰, 我们将新型能源应用和新型环保技术结合, 开发设计了一套“基于超级电容的太阳能应急手机充电器”。该系统利用光伏技术将太阳能转化为电能, 利用新型环保的超级电容进行储存, 在需要的时候方便快速的完成手机充电。该手机充电器的研发将太阳能这种绿色能源的利用和超级电容新兴储能技术有机结合, 具有便捷、高效、环保等优越性。
超级电容充电策略 篇5
关键词：风光互补,超级电容器,充电控制,Matlab/Simulink模拟
0 引言
风光互补发电系统是一种清洁的供电系统, 具有良好的发展前景。它主要由太阳能光伏系统、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。但是, 在风光互补发电系统中, 因为受外界日照、温度及风力的影响, 电能的储存及管理成为一个极为关键的环节[1]。目前, 铅酸蓄电池是风光互补发电系统中常用的储能装置, 但它存在如循环寿命短、功率密度低、维护量大等缺点[2]。更重要的风光互补发电系统受气候等自然因素的影响, 其发电输出功率具有不稳定和不可预测性, 会导致蓄电池常处于充放电电流小的状态, 加快了老化进程, 缩短了循环使用寿命[3], 这就相应增大了风光互补发电系统的运行成本, 因此, 电能的储存是风光互补发电系统亟待解决的问题。
超级电容器是一种新型储能器件, 充电时处于理想极化状态的电极表面, 电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子, 使其附于电极表面, 形成双电荷层, 构成双电层电容。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的优点, 可快速充放电且寿命长, 具有卓越的储能优势[4]。在电力系统中, 超级电容器多用于短时间、大功率的负载平滑和电能用量高峰值功率场合, 可在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平[5,6], 因此, 在风力发电和太阳能发电系统的电能储存方面具有很强的实用性和可行性。2005年, 美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置, 用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。张步涵等[7]提出了一种将串、并联型超级电容器储能系统应用于异步发电机的风力发电系统的新思路, 以同时双向、大范围、快速调节有功功率和无功功率, 很好地改善了风电的电能质量和稳定性。
根据超级电容器的充电特性, 本文提出了一种风光互补发电系统中超级电容器的充电方案。此方案包括恒流充电、恒功率充电及恒压充电3种模式, 其工作特点是随外界环境因素的变化, 超级电容器的3种充电模式也会随之自动相互切换, 以最大限度地利用风力发电机和光伏电池发出的电能。
1 超级电容器储能的风光互补发电系统的结构
图1为利用超级电容器储能的风光互补发电系统的结构图。此系统主要由电源、起到MPPT作用的直流斩波-DC/DC换流器[8,9]、超级电容器储能系统、负载4部分构成。风力发电机和太阳能电池作为此系统的电源, 对风力和光能的依赖性能很大, 其输出的电压不稳定, 因此, 需要经过起到MPPT作用的Boost-Buck DC-DC换流器的调节, 使其稳定在负载工作时所需的某一电压值。超级电容器组则并联在DC/DC换流器与负载之间。系统工作时, 风力和太阳能所发电能满足负载所需时, 超级电容器充电以储存多余电能;反之, 超级电容器则放电以作为负载的能量补充。可见, 这就要求超级电容器能够快速、稳步充电和放电。
图2为超级电容器充电控制的主电路图。它实现了对超级电容器充电过程中三种充电模式 (CCCM、CVCM、CPCM) 随外界条件的改变而自动切换的功能, 这对超级电容器快速、稳步的充电起了极为重要的作用。其关键结构主要是由Boost-Buck直流斩波器构成。直流斩波器在工作时, 通过调节IGBT门极触发信号的占空比D, 来改变输出的电流和电压。超级电容器组两端的充电电压U2满足以下关系式:, 根据不同的电压等级, U2可以比U1高, 也可以比U1低。当0
2 充电控制方案的流程图
图3为提出的超级电容器充电控制方案的流程图, 其中Tmax为超级电容器自保护温度, Ufull为超级电容器充满电时的电压, Ir为设定电流值, Ur为设定电压值。此流程主要包括温度保护和充电控制模式两大部分。
为了保证超级电容器组的正常使用及使用寿命, 此方案中设置了温度保护程序。当超级电容器的温度小于其最大允许温度Tmax时才运行, 反之超级电容器将起动超温保护, 通过断开充电回路以保护超级电容器。
在充电模式控制中, 当超级电容器处于初始充电状态时, 电容器两端电压很小, 而充电电流很大, 因此, 此时采用恒流充电控制模式;当充电电流I2小于给定值Ir时, 充电模式则自动切换到恒功率充电模式, 在此模式下随着电容器两端电压的增大, 充电电流开始下降;而当超级电容器两端电压等于某一给定值Ufull时, 再自动切换为恒电压充电模式。也就是通过这3种恒流、恒功及恒压充电模式有条件的自动切换, 来实现对超级电容器快速、稳步的充电, 下面将通过Matlab/Simulink仿真来证明这种方案的可行性。
3 充电控制方案的Matlab/Simulink仿真
我们对普通的只串入限流电阻的超级电容器充电电路进行仿真, 其实结果如图4。从图4中可以看出电流在充电伊始数值很大, 然后就以较快的速度下降直至充电结束。而电压则在初始充电状态下很小, 随充电时间的增大, 电压升高直到Ufull=300V。
图5为先恒流后恒压的充电方案仿真。从图5可以看出, 当充电恒定电流为30A时, 电压达到Ufull=300V所需时间比只串入限流电阻的普通充电方法有所缩短。
图6为提出的超级电容器充电控制方案的仿真结果。其中Ufull=300V, 充电时恒定Ir为30A, Ur=220V。从图6中明显可以看出, 由于加入了恒功率充电模式, 充电时间比先恒流后恒压的充电方案缩短了近一半, 比只串入限流电阻的充电方案缩短时间更多。由此可证明, 本文所提出充电控制方案对超级电容器快速、稳步充电的可行性。
4 结论
利用超级电容器作为风光互补发系统中的储能装置, 提出一种超级电容器应用在风光互补发电系统中的充电控制方案。其充电控制方案由恒压充电、恒流充电和恒功充电三种控制模式构成。Matlab/Simulink仿真证明:由于恒功率充电模式的加入, 对超级电容器充电的时间大大减少, 可以实现对超级电容器组快速稳步的充电, 以有效储存和利用风力和太阳能发出的电能。
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超级电容充电策略 篇6
相对于隔离式DC /DC变换器,非隔离式DC /DC变换器具有元器件数量少、成本低、体积小、重量轻、易于控制和易于系统集成的优点,适用于无需电气隔离且电压变化不大的场合[1]。采用交错并联磁集成技术能够有效地减小单通道电感电流纹波、缩小磁件体积,有利于优化电路的性能。多通道并联的结构增加了电流容量,减小开关管电压应力,提高了变换器的可靠性。同步整流能够降低开关管的导通损耗,提高变换器效率。建立变换器的大信号、小信号模型[2]对实际应用有着十分重要的意义。
本文将三相交错并联磁集成同步整流Buck变换器应用在超级电容与蓄电池混合直流供电系统中,针对变换器输出端为超级电容时的特殊性,将能量回收阶段,即超级电容充电时的工作状态作为研究模态,建立CCM模式下的交流小信号、大信号模型,并推导了系统的开环传递函数。分析控制器的转折频率、幅频特性以及相频特性,并以此优化设计系统的补偿控制网络,提高了系统的稳定性和动态响应速度。
2 交错并联磁集成同步整流 Buck 变换器建模分析
2. 1 混合储能系统等效电路
图1为超级电容与蓄电池混合直流源系统的三相磁集成同步整流Buck变换器的拓扑结构示意图。输出侧为超级电容,其等效模型中包括等效电容C、等效串联阻抗RE; 功率开关管S1、S3、S5占空比工作,为Buck主开关管; 功率开关管S2、S4、S6是同步开关管; 三通道电感自感L1= L2= L3= L,采用反向耦合,耦合系数为k; 三通道电感电流分别为i1= i2= i3= iL。
2. 2 等效稳态电感与等效暂态电感
图1电路在一个工作周期内共有六个模态,假设三相耦合电感是对称的,并且是反向耦合,- 0. 5≤M /L≤0。根据其电压方程得到反向耦合各状态等效电感。
模态I: 通道1主开关管导通,通道2、3截止,根据电压方程可得此时第一通道的等效电感:
( 1)
式中,k = M/L,为耦合系数; D = Vbat/ Vo,为占空比;D' = 1 - D。
模态Ⅱ: 通道2主开关管导通,通道1、3截止,根据电压方程可得此时第一通道的等效电感:
同式( 1) 和式( 2) ,计算得到三相磁集成同步整流Buck变换器在一个开关周期的六个工作模态下第一通道的等效电感Leq1~ Leq6及电流i1波形,如图2所示。
耦合情况下每通道的稳态电流纹波( 即峰-峰值) 与Leq1成反比。i1表示耦合后通道1等效电感电流纹波,i'1表示非耦合通道1等效电感电流纹波。电流暂态增量为各段电流暂态增量之和,与Leq2成反比例关系。通过采用反向耦合可达到分立元件所不能满足的性能,增大Leq1可减小电感电流纹波,减小Leq2可提高动态响应速度,从而满足在减小稳态相电流纹波的情况下增大暂态相电流的响应速度。对图1所示的耦合电感模型进行解耦等效[3],得到其等效模型,如图3所示。
2. 3 三相磁集成 Buck 变换器功率级建模#sup_id#[4,5]#sup#
三相磁集成同步整流Buck变换器各通道主开关管与同步整流管互补导通工作,开关周期为Ts,开关频率为fs= 1 / Ts; 导通时间为ton; 占空比为D,其扰动量为d^,瞬时值d = D + d^。根据状态空间平均法,实际开关等效为理想开关,用受控电流源diL代替主开关管,受控电压源dvbat代替同步整流管,得到在CCM模式下的大信号平均等效电路模型,如图4( a) 所示。
根据图2和伏秒积平衡原理计算出每相电感电流纹波以及输出电流纹波为:
输入输出电压在一个开关周期内电压连续,故在[t,t + Ts]区间内,各相电感电压在一个开关周期内的平均值为:
式中,i = 1,2,3; j = 1,3,5。根据基尔霍夫电流定律,在一个开关周期内,超级电容电流平均值为:
式中,iL1 - M= iL2 - M= iL3 - M表示流过 解耦后电 感L1- M、L2- M、L3- M的电流。对输入电压、占空比dj( j = 1,3,5) 在直流工作点附近做微小扰动,造成变换器中电感电流以及输出电压等状态变量也产生微小扰动。各个参数进行扰动分离运算,即vbat=
个非线性受控源参数分离扰动:
( 7)
式中,i = 1,2,3; j = 1,3,5。将扰动后的变量代入电感电流状态空间平均方程式( 4) 中,得到扰动后的电感电流状态空间平均方程为:
( 8)
假设系统满足变换器的小信号条件,交流信号扰动量的绝对值远小于稳态值,并且交流小信号的二次乘积项d^ji^Li、d^jv^bat可忽略不计,由此得到非线性交流小信号状态方程:
^^
= iL1- M+ iL2- M+ iL3- M
采用受控电流源、受控电压源和理想变压器的结构进行等效建模,建立电感电流连续模式下同步整流Buck变换器的线性化交流小信号等效电路,如图4( b) 所示。
根据交流小信号等效电路模型求得三相交错并联磁集成同步整流Buck变换器在CCM工作模式下的传递函数关系式如下:
占空比到电感电流的传递函数Gid( s)[6]为:
占空比到输出电压的传递函数Gvd( s) 为:
( 11)
电感电流到输出电压的传递函数Gvi( s) 为:
3 控制环模型建立
混合直流源系统在吸收回馈能量或为辅助电源充电时,为避免蓄电池大电流充、放电,通过辅助电源吸收瞬时大功率,可起到对蓄电池保护的作用。本文采用电压外环、电流内环的闭环控制策略,通过外环精确控制充电电压,内环提高响应速度[7,8]。电流环和电压环控制模型如图5所示。
分析小信号环路的稳定性,采用运算放大的超前-滞后补偿网络; Gm( s) 为脉宽调制器函数; H( s)为采样函数; 电流环开环传递函数为式( 13) ,当电流内环的带宽远大于电压外环的带宽时,通常将电流内环视为一个比例环节; 电压外环的开环传递函数为式( 14) 。
优化耦合度,仿真分析耦合与非耦合情况下稳态电流纹波与暂态电流纹波的数值关系,结果如图6所示。
由仿真结果可知,D = 0. 25时,ΔI1/ ΔI'1坐标小于1的曲线才能满足性能要求,且满足在增大Δi/Δi'的同时减小ΔI1/ ΔI'1。取Vbat= 36V,Vo= 10V,fs= 20k Hz,L = 25μH,耦合系数k = - 0. 433,等效暂态电感Leq2= 3. 6μH,根据系统开环传递函数,对占空比-输出电压的传递函数进行仿真,得出耦合前后幅频、相频特性曲线,如图7所示。可以看出耦合模型在中频段带宽随着耦合程度的增强,相位裕量增大,截止频率逐渐增大[9]。
对占空比-输出电压的开环传递函数Gov( s) 进行仿真,得出幅频、相频特性曲线,如图8所示。可以看出随着耦合程度的增强,截止频率逐渐增大。
4 实验验证
超级电容充电系统中的功率级拓扑为三相交错并联磁集成同步整流Buck变换器; 低压侧为超级电容,采用锦州凯美公司生产的HP-2R7-J307UY,单体容量为300F,额定电压为2. 7V,低压侧电压为5. 4~ 10. 8V; 高压侧为蓄电池,采用12V /7A·h的铅酸蓄电池,高压侧电压为32 ~ 36V; 系统工作频率为20k Hz; 主控制器采用TMS320F2812 DSP; L = 25μH,等效暂态电感Leq2= 3. 6μH。电流测试采用闭环霍尔电流传感器CHB-25NP,霍尔电流传感器的±15V直流电源由EM1719A型直流稳压电源提供,匝比n= 1∶1000,测试电阻RM= 149Ω,示波器型 号为RIGOL DS1052E。
稳态实验波形如图9所示。实验结果表明,变换器能够正常工作,电感电流纹波小。采用交错并联磁集成电感电流分别控制的方法,稳态电感电流的纹波小。图9( b) 显示,采用双闭环控制充电电流能很好地限制在设定值之下,同时超级电容充电电压达到预设值之后,充电电流能够减小到零,实现了恒压限流的要求。实验结果表明变换器的稳态性能良好。输出负载由可编程电子负载IT8513C提供,结果表明采用耦合电感的磁件动态响应性能较好。
5 结论
提出了三相交错并联磁集成同步整流Buck变换器作为超级电容充电系统的功率级拓扑模
型。通过分析变换器的工作过程,结合分析磁集成耦合度与稳态电感电流纹波以及动态响应速度的关系,采用状态空间平均法建立系统的大信号平均模型以及交流小信号模型,得出系统的开环传递函数。采用双闭环控制策略,使用Matlab进行仿真,对比分析占空比-输出电压的开环传递函数随耦合程度增加时的性能,以此为依据设计补偿环节,进而对比分析系统的闭环稳定性。通过实验验证采用耦合电感的回路电流纹波较小,双闭环的控制策略实现了恒压限流,系统的动态响应性能较好。
摘要：同步整流Buck变换器广泛应用于低压充电场合,变换器中采用的交错并联磁集成技术能够有效地减小电感电流纹波,增加变换功率,提高变换器的工作可靠性,同时提高系统的动态响应速度。在超级电容充电阶段,采用状态空间平均法,推导了三相交错并联磁集成同步整流Buck变换器在电流连续模式(CCM)下的大信号和小信号模型,得到了系统开环传递函数。利用Matlab仿真软件得到整个系统开环幅频和相频特性曲线,并以此为依据优化设计控制器的补偿网络以提高系统的稳定性和瞬态响应速度,最后通过仿真和实验进行了验证。
关键词：同步整流Buck变换器,超级电容,磁集成,系统建模
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