顏嘉元

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇南京，210000）

0 引言

超級電容是一種儲能元件，其基本原理是利用固體（活性炭多孔電極）和液體（電解液）的界面形成的電氣雙層來代替電介質(zhì)。容量的大小與在界面形成的電氣雙層成正比。超級電容儲能過程是可逆的，也正因此超級電容可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

超級電容作為一種新型的儲能器件被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如汽車領(lǐng)域、UPS 電源、行車記錄儀等。本文主要介紹一種超級電容的充放電管理方案，以便用于在需要使用到備用電源的存儲設(shè)備中，保證存儲數(shù)據(jù)的完整性。

1 工作原理

本超級電容的充放電管理方案由下面幾個部分組成：（1）超級電容電路；（2）均衡電路；（3）超級電容充電電路；（4）溫度監(jiān)測及控制模塊；（5）電壓比較電路；（6）電源切換電路；（7）MCU 電路。如圖1 所示。

圖1 超級電容充放電管理系統(tǒng)框圖

該超級電容充放電管理方案能夠?qū)崿F(xiàn)對超級電容進(jìn)行充放電管理、系統(tǒng)電源切換、超級電容充放電狀態(tài)上報以及系統(tǒng)供電電源狀態(tài)上報等功能，可有效、精確地保證系統(tǒng)的電源供給，保證系統(tǒng)的魯棒性。

2 方案設(shè)計

■2.1 超級電容電路

超級電容的容量需要根據(jù)系統(tǒng)功耗以及放電時間進(jìn)行選擇，可進(jìn)行串并聯(lián)搭配使用。依據(jù)“電路保持工作所需能量=法拉電容減少能量”的原則，可知：

電路保持工作所需能量為：

法拉電容減少能量為：

式中：C為法拉電容的標(biāo)稱容量；Uwork為系統(tǒng)正常工作電壓；Umin為系統(tǒng)能工作的最低電壓；t為電路中要求的保持時間；I為系統(tǒng)的負(fù)載電流。

在選擇超級電容時需要關(guān)注以下參數(shù)：（1）額定電壓；（2）額定容量；（3）ESR；（4）持續(xù)電流；（5）峰值電流；（6）72h 漏電流；（7）儲存容量；（8）使用壽命；（9）工作壽命。根據(jù)上訴公式結(jié)合實際使用條件即可得到超級電容所需容量、串并方式等結(jié)果。

多電容器并聯(lián)計算公式為：

多電容器串聯(lián)計算公式為：

■2.2 均衡電路

超級電容作為一種高效的儲能元器件，具有ESR 小、充放電速度快、能量密度高、使用壽命長及工作溫度范圍寬等優(yōu)點，但受制造工藝限制的原因，超級電容在生產(chǎn)制作過程中，存在個體電壓、容量和ESR 等參數(shù)不一致的問題，這種不一致會導(dǎo)致在使用過程中存在個體過充過放超壓等現(xiàn)象，造成使用壽命低并可能進(jìn)一步導(dǎo)致熱失控，最終引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸的問題。故在超級電容使用過程中需要使用均衡電路。

均衡電路分為主動均衡和被動均衡兩種。主動均衡是一種復(fù)雜的均衡方式，是通過軟硬件的方式在超級電容充放電階段將電能平均分配到各個超級電容單體中。被動均衡一般是采用電阻放電的方式將每個超級電容的容量、電壓保持在一個平均的水平。主動均衡具有均衡精準(zhǔn)、損耗小等特點，但主動均衡成本高。被動均衡具有電路簡單、損耗大、成本低等特點。因本方案中超級電容較少，考慮到成本因素，故采用被動均衡方案，使用1kΩ 電阻與一個超級電容并聯(lián)后再將4 組超級電容串聯(lián)的方式進(jìn)行超級電容均衡。電阻需要選擇高精度電阻，保證每個超級電容獲得的電壓不超過額定電壓。均衡電路如圖2 所示。

圖2 均衡電路

■2.3 超級電容充電電路

超級電容充電需要采用不超過額定電壓的直流電壓進(jìn)行充電，可采用限流、恒流、恒功率、恒電壓等多種充電方式。超級電容充電電流計算公式如下：

超級電容充電可選擇下面幾種方式進(jìn)行實現(xiàn)：（1）線性充電器；（2）開關(guān)降壓模式充電器；（3）改進(jìn)型鋰電池充電器；（4）升降壓充電器。本方案中采用電阻+三極管+二極管的方式對超級電容進(jìn)行充電。該方式為線性充電器方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點。電路中通過電阻和二極管共同作用的方式對充電電流進(jìn)行限制。初始時Vcap點的電壓為0V，PNP 三極管Q1 的基極和射極之間的電壓VBE 由二極管D1、D2 設(shè)定，超級電容充電電流ICHG=(10.8V_SB-VCE)/2，隨著超級電容充電后，Vcap點的電壓增加，ICHG減小，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 超級電容充電電路

■2.4 溫度監(jiān)測及控制模塊

超級電容在充放電過程中會受到環(huán)境溫度的影響，溫度過高時充電會造成內(nèi)部電解液過于活躍，導(dǎo)致超級電容鼓包甚至發(fā)生爆炸引起火災(zāi)；溫度過低時放電會出現(xiàn)電解液活性不足，導(dǎo)致容量無法得到充分釋放的問題。本方案中設(shè)計了超級電容溫度監(jiān)測及控制模塊，實時監(jiān)測超級電容溫度，并通過電阻絲加熱和風(fēng)扇散熱的方式對超級電容的溫度進(jìn)行控制。圖4 為溫度監(jiān)測及控制模塊的系統(tǒng)框圖。

圖4 溫度監(jiān)測及控制模塊

2.4.1 測溫電路

測溫電路的主要作用為監(jiān)測超級電容的實時溫度。圖5 為測溫電路的系統(tǒng)框圖，采用NTC 電阻的方式對超級電容的溫度進(jìn)行測量，將NTC 電阻分得的電壓進(jìn)比較器進(jìn)行比較，通過比較器設(shè)置測量溫度的范圍，最后將比較器比較后輸出的結(jié)果用于控制風(fēng)扇的開關(guān)和電阻絲加熱的開關(guān)，并將輸出結(jié)果上報到MCU，告知目前模塊的狀態(tài)。

圖5 測溫電路

2.4.2 風(fēng)扇

風(fēng)扇在該模塊中的主要作用為散熱，溫度高于超級電容使用溫度時開啟風(fēng)扇對超級電容進(jìn)行散熱。風(fēng)扇的開關(guān)采用MOS 管的方式，比較器輸出的信號用于控制MOS 管的開啟和關(guān)閉，最終實現(xiàn)對風(fēng)扇開啟和關(guān)閉的控制。

2.4.3 電阻絲加熱電路

電阻絲加熱電路在該模塊中的主要作用為給超級電容進(jìn)行加熱，電阻絲采用薄膜型電阻絲貼于超級電容表面，對超級電容進(jìn)行均勻加熱。電阻絲的開關(guān)采用繼電器的方式，比較器輸出的信號用于控制繼電器的開啟和關(guān)閉，最終實現(xiàn)對電阻絲開啟和關(guān)閉的控制。

■2.5 電壓比較電路

本方案中系統(tǒng)可通過兩個電源進(jìn)行供電：（1）外部電源；（2）超級電容。給系統(tǒng)供電時需要對兩個供電電源進(jìn)行管理，當(dāng)有外部電源輸入時系統(tǒng)使用外部電源進(jìn)行供電，并且使用外部電源對超級電容進(jìn)行充電；當(dāng)外部電源突然斷開時系統(tǒng)切換為超級電容供電。本方案中使用比較器、非門和或門設(shè)計電壓比較電路。為了防止電源切換過程中出現(xiàn)的檢測不準(zhǔn)確和電壓回彈的問題，給比較器傳遞函數(shù)增加正反饋的方式達(dá)到電壓遲滯的目的。

通過兩個比較器分別對外部電源和超級電容的電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生比較結(jié)果，對比較后的結(jié)果進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，最終產(chǎn)生兩個控制信號，控制信號1 用于將系統(tǒng)供電切換為外部電源供電，控制信號2 用于將系統(tǒng)供電切換為超級電容供電。

圖6 電壓比較電路

■2.6 電源切換電路

本方案中系統(tǒng)由兩個電源進(jìn)行供電：（1）外部電源；（2）超級電容。對于兩個電源的供電管理，本方案中采用PMOS 管、肖特基二極管和NOS 管的方式設(shè)計電源切換電路。使用3 個PMOS 管、1 個肖特基二極管和2 個NOMS管組成電源切換電路。外部電源供電支路采用雙PMOS 管背靠背的方式為系統(tǒng)供電，這樣可以降低能量損耗及減小電壓降；超級電容供電支路采用肖特基二極管和PMOS 管組合的方式給系統(tǒng)供電，可有效避免在電源切換過程中出現(xiàn)的電壓倒灌問題，有效保證系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及連續(xù)性。

對于PMOS 管及肖特基二極管的選型需要根據(jù)系統(tǒng)的功耗以及供電電壓進(jìn)行參數(shù)選擇。PMOS 主要關(guān)注RDS、VGS、VDS、ID、PD、RθJA這幾個參數(shù)，肖特基二極管主要關(guān)注VRRM、IF、VF、IRRM、RθJA這幾個參數(shù)。

圖7 電源切換電路

■2.7 MCU 電路

本方案中MCU 電路主要功能為：（1）獲知超級電容溫度狀態(tài)；（2）系統(tǒng)電源供電狀態(tài)；（3）上報系統(tǒng)狀態(tài)。

獲知超級電容溫度狀態(tài)功能是通過接收測溫比較器輸出的信號獲知超級電容的溫度狀態(tài)。

系統(tǒng)電源供電狀態(tài)功能是通過接收電壓比較電路輸出的信號獲知系統(tǒng)供電狀態(tài)。

上報系統(tǒng)狀態(tài)功能是接收超級電容溫度狀態(tài)和系統(tǒng)供電狀態(tài)，并將這些狀態(tài)上報給上位機(jī)，最終有上位機(jī)來顯示和作出判斷。當(dāng)系統(tǒng)供電切換到超級電容供電時主機(jī)進(jìn)行關(guān)機(jī)流程，最終實現(xiàn)安全關(guān)機(jī)。圖8 為開關(guān)機(jī)指令流程圖。

圖8 開關(guān)機(jī)指令流程圖

3 測試結(jié)果

對本方案使用12V 外部電源和4 節(jié)10F/2.7V 超級電容串聯(lián)進(jìn)行測試。主要關(guān)注：（1）超級電容是否可以正常充放電；（2）超級電容溫度狀態(tài)是否可以正常上報；（3）風(fēng)扇及電阻絲是否可以正常工作；（4）兩個電源切換過程中供電電壓是否發(fā)生震蕩；（5）系統(tǒng)是否可以正常關(guān)機(jī)。

經(jīng)過測試系統(tǒng)能滿足設(shè)計要求，使用示波器測量系統(tǒng)供電波形如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)供電波形

4 結(jié)論

本文提出了一種超級電容充放電管理方案，該方案實現(xiàn)了超級電容選型、超級電容充放電管理、超級電容溫度監(jiān)測與管理及控制、系統(tǒng)供電的切換以及系統(tǒng)在斷電過程中的安全關(guān)機(jī)等功能。本方案可在實際產(chǎn)品中進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，能夠使相關(guān)需要異常關(guān)機(jī)保護(hù)功能的系統(tǒng)得到一個完善、魯棒的解決方案。