一種新型超級(jí)電容模組充電電源設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器（Supercapacitors,ultracapacitor），不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次 。

根據(jù)蓄電池的正負(fù)脈沖、充電電壓波動(dòng)等特點(diǎn)，提出一種饋能式正負(fù)脈沖快速充電方法。提出利用一種基于電動(dòng)汽車與能源互聯(lián)網(wǎng)的電容模組充電設(shè)計(jì)方法。化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容單體的制備與性能優(yōu)化，可以提高電容的充電效率。超級(jí)電容模組的容量配置、能量管理以及壽命等影響因素，得出的結(jié)論對(duì)電容模組充電電源的設(shè)計(jì)有重要的意義。

超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理不同于蓄電池，其充放電過(guò)程的容量狀態(tài)有其自身的特點(diǎn)。超級(jí)電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。本設(shè)計(jì)方案主要分析恒流充電條件下的超級(jí)電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制電壓，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級(jí)電容器充滿。

采用這種充電方法的優(yōu)點(diǎn)是：1.階段采用較大電流以節(jié)省充電時(shí)間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級(jí)電容器內(nèi)部高溫而影響超級(jí)電容器的容量特性。

本文采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、MCU和電力電子技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型超級(jí)電容模組充電電源，包括可調(diào)節(jié)恒流充電和恒壓充電電路設(shè)計(jì)、恒流與恒壓轉(zhuǎn)換控制電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)與選型及功率MOSFET選擇等。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)可有效解決充電電壓不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題，同時(shí)采用充電電流可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，可使電源適應(yīng)不同廠家，不同容量的超級(jí)電容模組。

1超級(jí)電容模組充電電源硬件電路的設(shè)計(jì)

超級(jí)電容模組充電電源，其主要分為6個(gè)部分組成。分別為：1）EMC處理電路；2）充電調(diào)節(jié)電路；3）充電控制電路；4）溫度采集電路；5）供電電源；6）狀態(tài)指示電路。

1）EMC處理電路

該電路主要作用是對(duì)充電電源對(duì)共模干擾和差模干擾的進(jìn)行抑制。對(duì)于共模干擾，使用了CY電容和共摸電感L進(jìn)行抑制。對(duì)于差模干擾，采用了CX電容進(jìn)行抑制。

2）充電調(diào)節(jié)電路

調(diào)節(jié)電路主要是對(duì)充電電流調(diào)節(jié)和充電電壓進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整電路采用可調(diào)電位器進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的分壓分為ADC_I和ADC_U，兩個(gè)電壓進(jìn)入到微控制器中的內(nèi)部ADC中。程序?qū)蓚€(gè)分壓電壓進(jìn)行采樣得到相對(duì)應(yīng)的充電電流設(shè)定值和充電電壓設(shè)定值。

3）充電控制電路

控制部分主要由MOSFET電力管Q和高頻變頻器T以及相對(duì)應(yīng)的方波發(fā)生器及電壓比較器等構(gòu)成。電阻R1，R2對(duì)直流輸出電壓進(jìn)行采樣與微控制器PWM1輸出的電壓設(shè)置信號(hào)進(jìn)行比較，如果直流輸出電壓超過(guò)電壓設(shè)定值，則關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電。

電阻RS對(duì)充電電流進(jìn)行采樣，采樣后的電壓與微控制器輸出的PWM2輸出電流設(shè)置信號(hào)進(jìn)行比較，如果充電電流超過(guò)設(shè)定值，則關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電。同時(shí)，微處理器采集到超級(jí)電容溫度和充電電路溫度兩個(gè)中的任意一個(gè)溫度超限，則微控制器輸出T_ctl信號(hào)，關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)了溫度保護(hù)。

4）溫度采集部分

主要有三個(gè)溫度傳感器t1，th，tc。t1主要采集充電回路主要發(fā)熱的高頻變壓器，th采集環(huán)境溫度，tc為外置的溫度傳感器采集超級(jí)電容模組的溫度。三個(gè)溫度傳感器采用SPI數(shù)據(jù)接口，由微處理器直接進(jìn)行讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度越限后，微處理器輸出T_ctl信號(hào)，關(guān)斷Q1，停止對(duì)電容充電，實(shí)現(xiàn)了溫度保護(hù)。

5）供電電源部分

主要有AC/DC模塊和LDO線性電源構(gòu)成。AC/DC采用寬輸入電源模塊，應(yīng)具有裸機(jī)抗EMC能力強(qiáng)等特點(diǎn)。AC/DC輸出電壓由于具有一定的紋波，無(wú)法直接供給微處理器直接使用，因此采用了線性電源進(jìn)行降壓，并降低電源的紋波。

6）狀態(tài)指示部分

主要由4個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，分別指示電源微處理器運(yùn)行狀態(tài)，超級(jí)電容充電狀態(tài)，電源過(guò)熱或外部超級(jí)電容過(guò)熱，電源充電時(shí)過(guò)載等信息。