倪 雨，李萬(wàn)翔

（1.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川成都610225；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰836500）

超級(jí)電容器可調(diào)恒電流充電實(shí)驗(yàn)

倪 雨1，李萬(wàn)翔2

（1.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川成都610225；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司阿勒泰供電公司，新疆阿勒泰836500）

針對(duì)超級(jí)電容器欠缺大電流恒電流充電電源的問(wèn)題，分析恒電流電源關(guān)鍵技術(shù)，并以超級(jí)電容器主要特征為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)效率測(cè)算確定了恒電流充電電路的輸入電壓，獲得較高轉(zhuǎn)換效率。該恒電流電源控制器基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，可手動(dòng)設(shè)置輸出電流數(shù)值，并設(shè)置輸出電壓檢測(cè)端，以防止電容過(guò)充電。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大容量超級(jí)電容器的大電流快速充電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了可調(diào)恒電流充電控制電路的可行性和可靠性，具有推廣價(jià)值。

超級(jí)電容器；恒電流充電；轉(zhuǎn)換效率；過(guò)充；單片機(jī)

0 前言

超級(jí)電容器具有內(nèi)阻小、充放電效率高（90％～ 95％）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、無(wú)污染等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了常規(guī)儲(chǔ)能器件的主要缺陷[1]，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。如在車輛起動(dòng)、加速、制動(dòng)能量回收等短時(shí)間大功率工作條件下，超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了能量的快速釋放和存儲(chǔ)[2-3]。

我國(guó)超級(jí)電容的生產(chǎn)和應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，仍需深入研究改善超級(jí)電容器性能的方法和超級(jí)電容器充放電控制技術(shù)，使其在更多領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)[4]。目前的超級(jí)電容器恒電流充電市場(chǎng)上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多為電流小于1 A的恒電流源，缺少對(duì)超級(jí)電容器的大電流充放電電路的研究；國(guó)外雖有大電流恒電流源，但價(jià)格昂貴。研發(fā)大電流充放電的恒電流源具有較高經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值[5-6]。本研究針對(duì)一組超級(jí)電容器設(shè)計(jì)制作一臺(tái)充電電流大于1 A的可調(diào)恒電流充電電流源，并進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以及兩種情況下的啟動(dòng)和停止實(shí)驗(yàn)。

1 電源電壓

充電電源電壓的選擇是為了提高超級(jí)電容器的充電效率、縮短充電時(shí)間，從而達(dá)到快速充電目的，充分發(fā)揮超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)[7－8]。設(shè)計(jì)選取常用直流電源，超級(jí)電容器選取5 V、10 F的電容，使用美國(guó)泰克公司的TDS3024B示波器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)超級(jí)電容器的電流和電壓，獲得超級(jí)電容器充電的效率值，即UoIo/UinIin。超級(jí)電容器充電進(jìn)行效率測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 效率曲線

由圖1可知，Uin為輸入直流電電壓，當(dāng)輸入直流電壓為4.75 V，輸出電流為0.25 A時(shí)，充電效率最高可達(dá)到95％；但當(dāng)充電電流超過(guò)1 A時(shí)，輸入電壓為12 V時(shí)的效率最高，可達(dá)到90％。故設(shè)計(jì)采用12 V直流電源。

2 恒電流充電主電路

超級(jí)電容器恒電流充電主電路如圖2所示。

圖2 恒電流充電主電路

由圖2可知，采用L-C低通濾波電路與MP1482芯片相結(jié)合構(gòu)成Buck變換器，作為恒電流充電主電路。輸入12 V直流電壓經(jīng)芯片MP1482轉(zhuǎn)化為方波，由方波通過(guò)電感轉(zhuǎn)換為一個(gè)三角波，再通過(guò)采樣電阻R5采樣，比較采樣電壓和COMP管腳電壓以控制電感電流的峰值，達(dá)到每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。FB為反饋輸入端，接輸出電壓分壓，為了能達(dá)到輸出電流恒定[9-12]，設(shè)計(jì)將管腳接電流采樣信號(hào)，分析如下。

電路工作時(shí)，負(fù)反饋電路自動(dòng)調(diào)節(jié)LM358的輸出端1腳電壓Uo達(dá)到MP1482S的內(nèi)部參考電壓0.923 V，推導(dǎo)如下。

采樣電阻R5上的電壓

虛斷LM358的同相輸入端，結(jié)合R2=R3可得

根據(jù)運(yùn)放的虛短原理

根據(jù)虛斷原理

將條件R6=R7代入式（4）得

將式（1）和式（2）代入式（5）得

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，將Uo=0.923 V代入式（6）得到

為了實(shí)現(xiàn)恒電流充電電路的充電電流可調(diào)，整理式（7）可得DA電壓值和充電電流給定值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

式中R5為輸出電流采樣電阻；UFB為MP1482S內(nèi)部參考電壓，典型值為0.923 V；UDA為DA的輸出電壓值，調(diào)節(jié)DA的值設(shè)定輸出電流大??；R1、R4為電壓采樣電阻。

3 控制系統(tǒng)軟件流程

針對(duì)如圖1所示主電路，根據(jù)大電流恒電流充電控制策略，控制程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

充電控制電路的控制核心采用89S51單片機(jī)。主要工作過(guò)程為：將輸入的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再與基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差值控制PWM波的占空比的輸出，從而實(shí)現(xiàn)控制BUCK電路對(duì)超級(jí)電容器的恒電流充電。為方便觀察超級(jí)電容器充電過(guò)程，采用液晶顯示器顯示超級(jí)電容器的電壓和電流。

通過(guò)按鍵設(shè)定充電電流給定值，達(dá)到充電電流可調(diào)的目的。當(dāng)超級(jí)電容器電壓達(dá)到4 V時(shí)，智能調(diào)節(jié)充電電流為1.06 A，有效防止了芯片MP1482S過(guò)功率保護(hù)問(wèn)題；通過(guò)電壓采樣電路，得到超級(jí)電容器的電壓，防止超級(jí)電容器過(guò)充[11]。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

硬件測(cè)試包括：充電電路的正常工作狀態(tài)，直流電源開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)、通電后Uen的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，確保開(kāi)啟充電過(guò)程的可靠性和穩(wěn)定性。使用美國(guó)泰克公司的TDS3024B示波器對(duì)電路的主要端口進(jìn)行測(cè)試，波形分別為：Uo為輸出電壓波形，SW為開(kāi)關(guān)管電壓波形，IL為電感電流波形，Uin為輸入電壓波形，EN為使能端電壓波形。

4.1 電路正常工作狀態(tài)

超級(jí)電容器充電測(cè)試電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電流Io分別為0 A和2 A時(shí)，輸出紋波和開(kāi)關(guān)波形如圖4所示。由圖4可知，充電電路穩(wěn)定工作于空載或滿載時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為330 kHz，輸出電壓紋波為20 mV，為超級(jí)電容器額定電壓5 V的0.4％，滿足超級(jí)電容器充電要求。

4.2 電路啟停過(guò)程

通過(guò)測(cè)試電路的開(kāi)關(guān)機(jī)暫態(tài)，可以有效測(cè)試出電路運(yùn)行的可靠性，保證了電路在各個(gè)突發(fā)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)超級(jí)電容器起到必要的保護(hù)作用，防止電容充放電時(shí)電流、電壓突變所引起燒毀甚至爆炸[5，15]。

4.2.1 上電和斷電過(guò)程

當(dāng)電路上電或斷電時(shí)，電流電壓發(fā)生劇烈變化而形成瞬時(shí)干擾，嚴(yán)重干擾則會(huì)危及超級(jí)電容器。分別對(duì)Uin測(cè)試在輸出電流為0 A和2 A時(shí)的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

由圖5可知，在芯片上（下）電時(shí)，充電電路正常工作，帶負(fù)載啟動(dòng)和空載啟動(dòng)波形平滑，無(wú)過(guò)沖，無(wú)震蕩，工作穩(wěn)定可靠，保護(hù)了強(qiáng)電設(shè)備中電感、電容等儲(chǔ)能元件。

圖4 穩(wěn)態(tài)工作時(shí)波形

圖5 Uin開(kāi)關(guān)機(jī)暫態(tài)波形

4.2.2 軟件開(kāi)關(guān)機(jī)暫態(tài)過(guò)程

當(dāng)軟啟動(dòng)（關(guān)軟機(jī)）時(shí)，電流電壓也可能發(fā)生劇烈變化而形成瞬時(shí)干擾，影響甚至危及超級(jí)電容器。分別對(duì)UEN測(cè)試在輸出電流為0 A和2 A時(shí)的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

由圖6可知，通過(guò)使能端開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，恒電流充電電路無(wú)異常。芯片通過(guò)使能端開(kāi)關(guān)機(jī)，帶負(fù)載和空載關(guān)機(jī)波形無(wú)異常，工作穩(wěn)定可靠，確保了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，有效防止數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)形成干擾。

恒電流充放電實(shí)物如圖7所示，主要由PCB板，89S51單片機(jī)，MP1482芯片，3個(gè)5V、10F超級(jí)電容器，Nokia5110液晶顯示器，BUCK電路，燈珠，放電電阻組成，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了恒電流系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)論

介紹超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展前景及應(yīng)用超級(jí)電容器需要的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的大電流恒電流源充電系統(tǒng)，制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并通過(guò)測(cè)試。在此系統(tǒng)中，選用恒電流可調(diào)充電方式對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電，同時(shí)解決了恒電壓充電初始充電電流很大的問(wèn)題，且使得超級(jí)電容器能夠快速、可靠地進(jìn)行電流充電，并得到很好保護(hù)和利用，充分發(fā)揮了超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)。恒電流充電電源的充電電流可調(diào)，適用于不同型號(hào)超級(jí)電容器，具有廣泛實(shí)用價(jià)值。

圖6 UEN開(kāi)關(guān)機(jī)暫態(tài)波形

圖7 超級(jí)電容器恒電流充放電控制系統(tǒng)實(shí)物

[1]農(nóng)谷珍.超級(jí)電容器電極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2009.

[2]儲(chǔ)軍.電動(dòng)車用超級(jí)電容參數(shù)特性的實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2004.

[3]儲(chǔ)軍，陳杰，李忠學(xué).電動(dòng)車用超級(jí)電容器充放電性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械，2004，31（03）：20-23.

[4]于凌宇，馮玉萍.世界超級(jí)電容器發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].電容，2008（12）：53-55.

[5]劉為民.超級(jí)電容器恒流測(cè)試電源[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2006.

[6]李薦，鐘暉，鐘海云，等.超級(jí)電容器應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2004，28（6）：388-391.

[7]馬奎安，陳敏.超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)充電模式控制設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2010（07）：1-4.

[8]鄧歡歡.超級(jí)電容器電源模塊電壓均衡技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的研究[D].湖北：華中科技大學(xué)，2008：3-14.

[9]閆智剛.國(guó)內(nèi)外超級(jí)電容器發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].電動(dòng)車，2008（03）：32-35.

[10]李忠學(xué)，彭啟立，陳杰.超級(jí)電容器端電壓動(dòng)態(tài)特征的研究[J].電池，2005，35（02）：85-86.

[11]張慧妍.超級(jí)電容器直流儲(chǔ)能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（電工研究所），2006.

[12]王磊.電動(dòng)汽車超級(jí)電容器組均衡系統(tǒng)的研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：10-35.

[13]Niu J J，PellWG，ConwayBE.Requirements for performance characterizationofCdouble-layersupercapacitors：applications to a high specific-area C-cloth material[J].Journal of Power Sources，2006（156）：725-740.

[14]Conway B E，Pell W G.Power limitations of supercapacitor operation associated with resistance and capacitance distribution inporouselectrodedevices[J].JournalofPowerSources，2002，105（2）：169-81.

[15]王偉，羅光毅，錢照明.一種改進(jìn)的VRLA電池組無(wú)損均衡充電電路[J].電力電子技術(shù)，2003，37（6）：24-26.

Experimental study of adjustable constant-current charging for super capacitor

NI Yu1，LI Wanxiang2
（1.College of Automatic Control Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Aletai Power Supply Company，State Grid Xinjiang Power Company，Aletai 836500，China）

According to the problems of lack large-current constant current charging power supply for the super capacitor，the key of constant current power supply was analyzed，then based on the super capacitor characteristics，and through efficiency measurement to determine the input voltage for the constant current charging circuit，finally high conversion efficiency was obtained.The controller design was based on single chip machine，the output current value could be manually set，and the output voltage detection was used to prevent the capacitance overcharging.Experimental prototype can fast charge super capacitor with large current，the experimental results verifies the feasibility and reliability of the adjustable constant current charge circuit，with wide application.

super capacitor；constant current charging；conversion efficiency；overcharge；single chip

TG434.1

A

1001－2303（2017）01－0051-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.10

獻(xiàn)

倪雨，李萬(wàn)翔.超級(jí)電容器可調(diào)恒電流充電實(shí)驗(yàn)[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：51-55.

2014-11-20；

2016-11-10

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（自然科學(xué)類）（15ZA0187）

倪雨（1978—），男，四川成都人，副教授，博士，主要從事微型電網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)、開(kāi)關(guān)變換器拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù)的研究工作。