超级电容充放电控制电路毕业设计方案.doc

摘 要：超级电容是一种新型储能元器件，它相比其他储能元器件有诸多优势，例如比功率高、充电速度快、放电电流大、使用寿命长、不污染环境等。其具备很大发展前景，但由于超级电容个体电压不高，在实际应用过程中就需要将各种超级电容器串并联起来使用。超级电容在充放电过程中，由于其参数存在离散型，虽然是同一型号同一规格超级电容器在其电压内阻、容量等参数上都存在一定差别。这样容易导致某些超级电容器过充或者过放，影响超级电容使用寿命和系统稳定性。同步，超级电容器在充放电过程中，超级电容器电池组两端电压会逐渐下降，特别通过长时间大电流放电，电压下降明显，会直接影响负载工作稳定性。因而研究超级电容充放电控制电路对提高超级电容使用寿命和系统稳定性十分重要。本文重要对超级电容器电池组采用电压均衡和放电稳压就行设计研究。超级电容器充放电控制电路有恒压、恒流等。放电稳压有稳压管稳压、三极管反馈稳压、集成芯片稳压等等方式。联系到将超级电容用作后备电源，针对实际应用列出了详细设计环节和研究方案。核心词：超级电容 电压均衡 放电稳压1 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景当今社会由于石油、煤炭等老式能源日益枯竭，并且这些燃料燃烧对生态环境已经导致了严重污染。当前人们研究层次还是局限于油、气混合动力燃料电池、化学电池研究。虽然其研究成果获得了一定成就但是她们缺陷也日益暴露出来例如：使用寿命短、温度特性差、充放电速度慢、放电电流小、对环境仍有一定污染等。因此人们迫切但愿可以找到一种绿色环保储能装置代替老式储能装置。而超级电容器是上个世纪80年代初浮现新产品，是一种介于老式电容器和充电电池之间新型储能器件。它有其功率高、充电速度快、储存能量大、放电电流大、使用寿命长、免维护等长处。随着便携式电气设备普及，超级电容在电动汽车研发、UPS电源、数码产品电源发展获得了极大应用。1.1.2 课题研究意义超级电容器单体电压不高，普通只有1V4V，在实际应用中普通依照需要将超级电容器串并联起来使用。由于超级电容离散性，虽然是同一规格同一批次生产超级电容器在其电压、内阻、容量等参数上都存在着差别性，这是由制造过程中工艺和材质不均和机械误差导致。而在使用中需要采用串并联方式提高整体输出电压和输出电流，由于这种差别性存在如果直接给超级电容进行充电或者放电很容易导致超级电容过充或者过放，进而缩短超级电容器使用寿命，并且影响系统稳定性。因此研究超级电容充放电控制电路对于推动超级电容发展将起到很大作用。同样超级电容器放电特性与普通电容器同样，随着放电时间延长，其输出电压是随指数函数下降，虽然超级电容容量很大，电压压降幅度小，但微小电压波动也会影响到整个系统稳定性。因此超级电容在放电时也要有稳压升压电路系统。本次课题设计重要研究以上两个方面及超级电容充放电控制电路。1.2 超级电容简介1.2.1 超级电容长处1. 高功率应用超级电容串联内阻非常低，因而可以应对在需要较大电流放电环境。这是其她电池不具备优势。2. 超级电容合用电压范畴广当前电池多数都是在很窄电压范畴内工作。超过了电池工作电压就不可以正常使用。而超级电容工作电压比较宽，可以面对更多场合。3. 超级电容绿色环保，不发生化学反映，对环境不会导致污染。4. 超级电容寿命长超级电容电能存储为纯粹物理变化，因而在电容使用中，不存在物质转换，保证了电容长期使用可靠性，超级电容提供长达10万-50万次使用寿命。5. 超级电容维护和保养以便因超级电容可以低电压使用，因此可以将超级电容器放电至零伏，在存储中可以无电操作，大大减少了超级电容维护和保养成本。在带电使用过程中，只要保证在额定电压下工作，级别不需要做维护保养。6. 超级电容合用温度范畴宽超级电容有较好温度合用性，可以在较低温度正常使用。乃至在-40度状况下仍可正常使用，解决了多数电池在低温状况下失效问题。1.2.2 超级电容发呈现状21世纪，随着全球气候变暖，资源短缺，全世界诸多国家都在开发新绿色环保能源，而超级电容生产所用材料普遍是绿色环保。因而超级电容作为一种新型环保储能元器件正在被越来越多国家所研究和生产。超级电容器从诞生到当前，已经历了三十近年发展历程。当前，微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电辅助设施。而大尺寸柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，并可预见在该两大领域将来市场上，超级电容器有着巨大发展潜力。国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。她们均把超级电容器项目作为国家级重点研究和开发项目。美国、日本、韩国等国家始终致力于开发高比功率和高比能量超级电容器。在超级电容器研究中，许多工作都是开发在各种电解液中又叫高比能量电极材料。当前应用超级电容器材料重要有碳基材料 、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料三种。近几年来，由于看好超级电容大好发展前景，中华人民共和国某些公司也试探进入这一领域，并且已经具备了一定技术研发实力。1.2.3 导致超级电容不均压影响因素在对串联超级电容电池组进行充电过程中，由于各单体电容器之间存在差别，会导致各电容充电速率不同，使得单体电容两端电压不均衡，最后导致电容过充过放，影响超级电容寿命和电路稳定性。1.3 论文内容安排第一章：绪论某些，重要简介了超级电容器研究背景、课题研究意义，国内外超级电容研究现状，影响超级电容因素。第二章：重要简介了关于超级电容有关知识，如超级电容储能原理、特性参数、超级电容长处，超级电容器电压均衡必要性。第三章：重要研究了超级电容电压均衡方案，并通过度析比较，选取适合本课题实际应用电压均衡办法。第四章：简介了集中惯用输出电压稳压办法、稳压芯片简介、结合本课题实际应用选取最佳稳压电路。第五章：超级电容器作为后备电源在路由器上应用。第六章：对超级电容器充放电控制电路做个简要总结。2 超级电容器充放电控制原理2.1超级电容器储能原理超级电容重要由电极、电解液、集电极、隔离膜、连线极柱、密封材料和排气阀构成，电极材料、制造技术，电解质构成和隔离膜质量对超级电容器性能有较大影响。电解质分解电压决定电容器工作电压，而工作电压决定电容器能量与输出功率，普通水溶液电解液分解电压约为1V，有机电解液约为3V；电极和电解液材料普通决定着超级电容器工作原理。超级电容按储能机理重要分为三类（1）由碳电极和电解液界面上电荷分离产生双电层电容；（2）采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反映而产生可逆化学吸附法拉第电容；（3）由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反映电容。由于双电层电容充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，但其所储能量较小，在混和动力车辆大容量需求下，普通将双电层电容和法拉第电容结合，制成不对称电极混和超级电容。图2-1 超级电容充放电示意图2.2 影响超级电容容量因素导致超级电容器单体电压不均衡因素重要有如下三个：1电容量差别超级电容器电压u、电流i电量Q以及容量W满足如下关系式： (2-1) (2-2) (2-3)从公式（2-1）可看出，如果电容单体之间电容值存在差别，在恒定电流充电条件下，电压变化率是不同，由公式（2-3）也可以看出，电容值越小电容电压上升速度越快。而电容容量与电压平方成正比，因此电容值差别会导致充电过程中各单体电容容量不同样。2.等效串联阻抗（ESR）超级电容器等效串联阻抗（ESR）是表征超级电容器性能一种重要参数。超级电容器ESR比老式电容器要大，并且重复运用其值会逐渐增大，这会导致单体电容器间ESR差别越来越明显，故在充放电时，ESR大电容将先于ESR小达到充放电结束，导致ESR小电容充放电不充分。3漏电流漏电流是表征超级电容器电荷保持能力一项重要参数，漏电流大超级电容器在静置一段时间后其保持电荷量要明显低于漏电流小电容器。故在放电过程中，漏电流大电容率先放点结束，而漏电流小电容器则剩余了更多电荷，放电过程比较缓慢。但是在充电过程中，漏电流小电容器会一方面布满电。通过以上分析可知，超级电容器单体存在某些参数上差别，由于这些差别存在会使超级电容在充放电过程中电压不均衡，如果超级电容器长时间在这种环境下工作，会大大缩短其使用寿命。由于电解液挥发速度与超级电容工作电压关于，工作电压越高，就会导致更多电解液参加反映，由此电解液分解速度也加快，过快反映会导致超级电容等效阻抗和自放电率加大，电容容量下降，电容整体工作性能会下降，由此导致一系列恶性循环，因此对于串并联超级电容器充放电电路来说，电压不均衡会严重限制超级电容防应用，因此研究超级电容电压均衡办法很有必要。2.3 超级电容器稳压均衡方案前面提过，串联超级电容器组在充放电过程中存在电压不均衡问题。常用电压均衡办法重要可以归为能耗型和回馈型两大类。稳压管均衡法和开关电阻法属于能耗型电压均衡办法，而DCDC变换器法、变压器法、飞度电容法属于回馈型电压均衡法。能耗型电压均衡办法基本原理是将电压较高单体电容某些以热量或者其她形式能量消耗掉，从而减少其充电速率。这种办法具备电路简朴、易于控制、成本低等长处；缺陷是元器件发热量大、能量损耗严重，均衡效率低。这种办法合用于充电功率小场合使用。回馈型电压均衡办法可以较好地解决能耗型均衡法费能量缺陷，其基本核心是通过能量变换器将单体之间偏差能量馈赠回送电容器组或组中某些电压较低单体，从而在不消耗能量前提下实现了电压动态平衡。由于不消耗能量，此种办法不存在发热问题，且均衡速度快、均衡效率高，但同样具备电路控制复杂、成本较高等因素限制。2.4 超级电容器充放电特性分析2.4.1 电压特性分析超级电容使用寿命长，理论上可以无限次充放电，其存储电荷和能量可以通过检测电压值方式近似拟定，判断超级电容与否布满非常以便，因此超级电容器充电控制可借鉴老式蓄电池充电方式，也可通过大脉冲电流对其进行迅速充电，当前对超级电容最惯用充放电方式为恒流充电。2.4.2 超级电容器恒流充电特性分析 等效电路模型超级电容储能原理基于多孔材料“电极/溶液”界面双电层构造，从阻抗角度分析，参照S.A.Hashmi等人模仿电路，等效电路为普通RC电路。超级电容器等效模型如图2-2所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR重要影响超级电容器漏电流，从而影响电容长期储能性能，EPR普通很大，可以达到几万欧姆，因此漏电流很小。L代表电容器感性成分，它是与工作频率关于分量。图2-2 超级电容器等效模型2.4.3 等效串联电阻对充电过程影响分析限制超级电容器应用重要因素是电容器等效串联电阻ESR过大，限制了其大电流输出能力。双电层电容器ESR是反映其性能一种重要指标。电容器等效电阻重要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻外在体现为：当电极充电到某一恒定电位足够长时间，电容开始放电时电极电位会有一种突降U。该现象影响超级电容器有效储能量，并随充电电流增长，端电压突变幅度增长，有效储能量减少。由于超级电容器在恒电流充放电过程中，电流大小或方向在充电过程结束和放电过程结束时发生变化，因此可以通过电流阶越办法测定电容器等效串联电阻。详细办法是精准记录变化电流大小及方向时电容器电压变化，运用关系式ESR=U/I计算电容器等效串联电阻。室温下，将额定容量为2700F超级电容器单体额定电压Umax=2.7V拟定为工作电压上限，Umin=1.35V拟定为工作电压下限，分别运用恒流I=20A，50A，100A对超级电容器进行充电测试。图2-3表达了充电过程中超级电容器电压变化状况。超级电容器充电电压基本呈线性变化：在充电初始阶段，超级电容器电压上升不久，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快，在充电初始和充电末阶段有明显电压波动；充电电流越大，满充时间越短，验证了超级电容器大电流迅速充电特点。详细分析超级电容器端电压波动因素，端电压变化幅度U(U1U2U3)重要受充电电流和等效串联电阻影响，这两个因素作用使超级电容器有效储能量发生变化，且随着充电电流增长，电容器有效端电压范畴缩短，导致有效储能量减少。图2-3 超级电容器恒流充电端电压变化2.5 容量特性分析依照电容原理有 (2-4)式中：I电流；C电容；dVc因电容放电引起电压变化量；dt放电时间变化量。dVc=Idt/C （2-5）等效串联电阻某些引起电压降：= (2-6)超级电容器端电压总变化dV为： (2-7)变换可得所需超级电容器容量C： (2-8)对于多孔碳材料做极化电极超级电容器，其存储电荷电容C与碳材料表面性质紧密有关，其中多孔碳电极比表面积和微观孔径尺寸分布是影响超级电容器双电层容量重要因素。实验中，分别运用电流为10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A对同一超级电容器进行恒流充电，并测量电容器电容，成果如图2-4所示。图2-4 超级电容器恒流充电容量变化在动态工作状况下，用线性函数拟合来预测超级电容器在任意工作电流水平点相应超级电容器静电容量C值。运用Matlab对获取电容值进行3阶拟合，相应函数为f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如图2-4所示，超级电容器容量随充电电流增长而下降。结合超级电容器内部构成分析，超级电容器转换效率和有效容量，受其有效内阻和充放电电流影响，要使其贮能量最大化，就要使容量最大化，即规定电极表面积最大化和双电层厚度最小化。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反映比表面积和微孔传播反映粒子、离子电荷速度，并因充电电流增大，碳电极有效反映表面和微孔运用率减小而导致容量减少。2.6超级电容器放电特性超级电容器放电过程是充电逆过程，其放电特性和老式电容器输出特性相似，当外接负载时，电压变化是呈指数下降。由于负载等效电阻普通不大于超级电容器内部并联等效电阻REP，因此在分析超级电容器放电过程时可以忽视REP作用，将其等效为抱负电容器cf和串联等效阻抗Res串联电路模型。图2-5 超级电容器放电电路等效模型放电过程中，超级电容器两端电压和放电电流关系为c （2-9）从公式可以看出，超级电容器两端电压值变化与抱负电容两端电压以及放电电流密切有关。小电流放电时，Res上电压压降可以忽视，此时超级电容器可以等效为抱负电容器，可以按照抱负电容器有关公式进行储能分析。当大电流放电时，Res上压降较大，如果检测到负极电压在达到规定下限时，超级电容器将会停止运作，由公式可知，此时抱负电容器两端电压依然停留在一种较大值，即超级电容器储存能量并没有完全释放出来，可见串联等效电阻Res存在影响了超级电容器功率输出，减少了超级电容器有效储能。因此大电流放电时，Res能耗不能忽视。在超级电容器放电过程中，不可避免会导致端电压下降，为了满足负载需求及提高储能运用率，普通需要为超级电容器配备电力电子变换器，通过调节功率变换器使超级电容器处在恒流放电、恒压放电获恒功率放电等运营模式，其中恒压放电是实际应用中最常使用方式。3 超级电容器电压均衡研究3.1 电压均衡方案电压均衡在超级电容器实际应用中有着很重要作用，同步电压均衡方案选用也直接关系到超级电容器组能否正常高效工作。超级电容器电压均衡办法有许各种方式，重要分为能耗型和回馈型两大类也各有其各自优缺陷。本课题通过对比分析选取出比较使用电压均衡方案。3.1.1 稳压管电压均衡法稳压管基本工作原理是每个超级电容器都并联一种稳压管，当电容器工作电压超过稳压管击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电容器电压不再上升。该办法长处是电路构造简朴，成本低；但是其充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，导致能量挥霍。图3-1稳压管稳压法示意图图 3-2 稳压管稳压法仿真电路3.1.2 开关电阻均衡法图3-3开关电阻均衡法每个超级电容器与一种电阻和开关串联构成支路并联，当电容器工作电压达到额定值时，开关闭和，充电电流就会从电阻和开关上旁路，不再给电容器充电。该办法控制灵活，可依照充电电流大小来设定旁路电阻；但是此办法会导致能量耗费，电阻发热量大。3.2 回馈型电压均衡方案3.2.1 DCDC变换器法DCDC变化器法，在每两个相邻超级电容器之间都串联一种Buck/Boost变换器，比较相邻电容器之间电压，使能量在相邻两个电容器间传递，最后将电压高超级电容器中能量通过变换器转移到电压低超级电容器中。对于N个电容器构成串联电容器组，需要N-1个Buck/Boos变换器。这种办法长处是能量损耗低，电压均衡速度快，在充放电过程中都可以进行电压均衡。但其需要功率器件多，成本也比较高。 图3-4 DCDC变换器法3.2.2 开关电容法多电容器电压均衡法是运用各种容量很小普通电容器作为中间储能单元，将电压高超级电容器中一某些能量向电压低超级电容器中转移一种电压均衡办法。它运用一组电容器在串联电容组相邻之间传递电荷，进行能量转移。单电容均压办法是运用一种超级电容很小普通电容器作为中间储能单元，即“飞渡”电容器，将电压高超级电容器中能量向电压低超级电容器中转移一种电压均衡办法。通过控制开关网络开通和关断，定期扫描各个电容电压，将“飞渡”电容器连接到电压最低电池两端，等效地增长或减小点吃充放电电流，实现动态平衡。图3-5电容均衡法电路图 图3-6 多电容均衡法电路图 表3-1各种电压均衡方案比较项目电路构造能量损耗充电速度均衡效率控制过程成本稳压管法简朴较大较慢低简朴低开关电阻法较为简朴较大慢低简朴低DCDC变换器发较为复杂较小快高较为复杂较高飞度电容法复杂无快高复杂低3.3 各种方案比较通过上述几种方案简介和比较，咱们能看出，稳压管法和开关电阻法虽然具备电路简朴、控制以便，节约成本等特点，但其发热耗费严重，DCDC能量变换法解决了能量消耗和发热问题，并且可以承受大电流充电，缩短了充电时间、提高了充电效率，但是、它据哟普控制过程复杂、成本高等缺陷。飞渡电容均衡法无能量损耗和发热问题，均衡效率高，成本较低，但用到开关器件多，系统体积庞大，系统检测较为复杂。4 超级电容放电稳压研究4.1 超级电容器放电等效模型超级电容器放电特性与普通电容器相似，电压变化随时间是呈指数形式变化。超级电容容量很大，在放出相似电量Q状况下，超级电容器电压降落率du比普通电容器压降要小得多，但是如果长时间大电流放电，电压下降还是非常明显。在实际应用中，常用稳压方案有诸各种，涉及稳压管稳压电路、三极管稳压电路、DCDC变换器稳压电路、集成芯片稳压电路等。图4-1超级电容器放电模型42 集成稳压电路4.2.1 稳压芯片简介集成稳压电路是采用集成芯片来使输出电压稳定，这种稳压办法具备高度集成性，并且体积小，控制以便，。常用稳压芯片重要有三端稳压78LXX、MC34063等。三端式稳压器是一种应用非常广泛集成稳压器件，其内部构造类似于串联反馈式稳压电路。三端固定式集成稳压器是将取样电阻、补偿电阻、保护电路、大功率调节管都集成在一种芯片上，整个芯片只有输入输出和公共端三个引脚，使用非常以便，因而获得广泛应用，它缺陷是输出电压固定，因此必要生产各种输出电压、电流规格系列产品。7800系列集成稳压器是惯用固定正输出电压集成稳压器，7900系列集成稳压器是惯用固定负输出电压集成稳压器。4.2.2 MC34063集成稳压是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制某些。该器件自身包括了DCDC变换器所需要重要功能单片控制电路且价格便宜。它由具备温度自动补偿功能基准电压发生器、比较器、占空比可控振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等构成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器控制核心，由它构成DCDC变换器仅用少量外部元器件。重要应用于以微解决器(MPU)或单片机(MCU)为基本系统里。4.2.3 MC34063重要特性参数MC34063重要特性参数和引脚简介如表4-1和4-2所示。表4-1MC34063重要参数符号参数名称数值单位Vi输入电压2.5-40VVo输出电压1.25-40VIo输出开关电流1.5AVREF参照稳压电源1.25Vf工作频率0.1-100KHZ表4-2MC34063引脚简介引脚序号符号功能引脚序号符号功能1CSW开关集电极5INCOM比较器反相输入2ESW开关发射极6VCC电源3GT定期电容器7IPK电流限止传感4GND接地8CDR驱动器集电极MC34063稳压原理和串联反馈式稳压电路类似，通过采样电阻采集输出电压，然后通过内部比较器、振荡器和RS 触发器来完毕电压反馈，最后达到文雅目。正勉励型DCDC变换器输出电压计算公式为： =(1+) （4-1)图4-2 MC34063稳压应用电路电路原理如图4-2所示，该电路是在MC34063典型降压电路上，用开关变压器取代自感线圈实现。运用开关变压器以获取隔离直流电源能量供应。开关变压器通过C1滤波，L1高频遏制稳压器稳压，便可获得稳定直流输出。在拟定硬件系统中，用于向数字系统供电VCC电源负荷是稳定，通过开关变压器交变方波占空比也是稳定。5 超级电容器作为后备电源在路由器上应用超级电容在路由器上作为后备电源意义，当惯用供电电源意外断开后，路由器就会停止工作，如果此时正在操作电脑，会使电脑里某些数据丢失。因此如果超级电容可以作为后备电源，那么当惯用电源断开后，超级电容器会作为电源向路由器供电，便于人们及时保存数据。超级电容作为后备电源已在各种领域有所应用，当前本课题研究就是超级电容在路由器上应用。现举市场上常用路由器为例:路由器工作电压9V，工作电流0.6A.本次研究超级电容器但愿在供电电源断开后，超级电容作为后备电源可以提供稳定电压工超级电容工作至少30S以上。5.1 电压均衡方案拟定本课题研究重要对象是将超级电容器作为后备电源应用到路油器中，断电后给路由器充电，使用可以继续工作一段时间，给人们保存保存数据时间。这就需要超级电容器可以提供足量稳定输入电压，这对电压均衡方案有一定构造和体积限制，由于自身路由器体积就很小，因此咱们但愿电压均衡电路可以尽量简朴，控制简朴，易于实现。在此课题中路由器后备电源模块采用4支2.7V/100F,比普通超级电容器容量要大诸多，超级电容器容量越大，充电时间也就越长，因此但愿超级电容器可以迅速布满，以防止紧急停电。结合了实际状况，通过度析对比，咱们采用了DCDC变换器法。5.2稳压方案拟定上面电压均衡方案就已经说过，选取何种控制电路，都得需要跟实际课题应用相结合，进而选取出一种最佳超级电容充放电控制电路。一方面超级电容器单体电压比较小，咱们需要将其串并联起来使用，在充电过程中电压可以保持平衡，避免单体过充过放。在前面咱们已经讨论过，超级电容器放电特性和普通电容器类似，随着放电时间延长，超级电容器端电压也会下降，因此在放电过程中，就规定用到稳压芯片对其进行稳压，使用可以保证系统稳定高效工作。本课题采用超级电容器参数为4支2.7V/100F,串联后电压达到10.8V，高于路由器额定电压9V。考虑到集成度和易用控制实现等因素。咱们选用MC34063作为放电稳压芯片。由公式（4-1） =(1+) 可知当R3取30K，R4取4.7K输出9.2符合路由器输入电压9V。可以保证路由器正常工作。最后依照数据解决和理论分析，本次设计方案能符合课题规定。