超級(jí)電容充放電控制電路畢業(yè)設(shè)計(jì)

摘要：超級(jí)電容是一種新型的儲(chǔ)能元器件，它相比其它儲(chǔ)能元器件有很多優(yōu)勢(shì)，比如比功率高、充電速度快、放電電流大、使用壽命長(zhǎng)、不污染環(huán)境等。其具有很大的發(fā)展前景，但由于超級(jí)電容個(gè)體電壓不高，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中就需要將多個(gè)超級(jí)電容器串并聯(lián)起來(lái)使用。超級(jí)電容在充放電過(guò)程中，由于其參數(shù)存在離散型，即使是同一型號(hào)同一規(guī)格的超級(jí)電容器在其電壓內(nèi)阻、容量等參數(shù)上都存在一定的差異。這樣容易導(dǎo)致某些超級(jí)電容器過(guò)充或者過(guò)放，影響超級(jí)電容的使用壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中，超級(jí)電容器電池組兩端的電壓會(huì)逐漸下降，特別通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大電流放電，電壓下降明顯，會(huì)直接影響負(fù)載的工作穩(wěn)定性。因此研究超級(jí)電容充放電控制電路對(duì)提高超級(jí)電容的使用壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性十分重要。本文重要對(duì)超級(jí)電容器電池組采用電壓均衡和放電穩(wěn)壓就行設(shè)計(jì)研究。超級(jí)電容器的充放電控制電路有恒壓、恒流等。放電穩(wěn)壓有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓、三極管反饋穩(wěn)壓、集成芯片穩(wěn)壓等等方式。聯(lián)系到將超級(jí)電容用作后備電源，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用列出了具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和研究方案。關(guān)鍵詞:超級(jí)電容電壓均衡放電穩(wěn)壓1緒論1.1課題研究背景及意義1.1.1課題研究背景當(dāng)今社會(huì)由于石油、煤炭等傳統(tǒng)能源日益枯竭，并且這些燃料燃燒對(duì)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)導(dǎo)致了嚴(yán)重的污染。目前人們研究的層次還是局限于油、氣混合動(dòng)力燃料電池、化學(xué)電池的研究。雖然其研究成果取得了一定的成就但是他們的缺陷也日益暴露出來(lái)比如：使用壽命短、溫度特性差、充放電速度慢、放電電流小、對(duì)環(huán)境仍有一定的污染等。所以人們迫切希望可以找到一種綠色環(huán)保的儲(chǔ)能裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。而超級(jí)電容器是上個(gè)世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的新產(chǎn)品，是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲(chǔ)能器件。它有其功率高、充電速度快、儲(chǔ)存能量大、放電電流大、使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。隨著便攜式電氣設(shè)備的普及，超級(jí)電容在電動(dòng)汽車的研發(fā)、UPS電源、數(shù)碼產(chǎn)品電源的發(fā)展獲得了極大的應(yīng)用。1.1.2課題研究意義超級(jí)電容器的單體電壓不高，一般只有1V—4V，在實(shí)際的應(yīng)用中通常根據(jù)需要將超級(jí)電容器串并聯(lián)起來(lái)使用。由于超級(jí)電容的離散性，即使是同一規(guī)格同一批次生產(chǎn)的超級(jí)電容器在其電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上都存在著差異性，這是由制造過(guò)程中工藝和材質(zhì)不均和機(jī)械誤差導(dǎo)致的。而在使用中需要采用串并聯(lián)的方式提高整體的輸出電壓和輸出電流，由于這種差異性的存在假如直接給超級(jí)電容進(jìn)行充電或者放電很容易導(dǎo)致超級(jí)電容的過(guò)充或者過(guò)放，進(jìn)而縮短超級(jí)電容器的使用壽命，并且影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以研究超級(jí)電容的充放電控制電路對(duì)于推動(dòng)超級(jí)電容的發(fā)展將起到很大的作用。同樣超級(jí)電容器的放電特性與普通電容器同樣，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，其輸出電壓是隨指數(shù)函數(shù)下降的，雖然超級(jí)電容的容量很大，電壓壓降幅度小，但微小的電壓波動(dòng)也會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以超級(jí)電容在放電時(shí)也要有穩(wěn)壓升壓電路系統(tǒng)。本次課題設(shè)計(jì)重要研究以上兩個(gè)方面及超級(jí)電容的充放電控制電路。1.2超級(jí)電容介紹1.2.1超級(jí)電容優(yōu)點(diǎn)高功率應(yīng)用超級(jí)電容的串聯(lián)內(nèi)阻非常低，因此可以應(yīng)對(duì)在需要較大電流放電的環(huán)境。這是其他電池不具有的優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容的合用電壓范圍廣目前的電池多數(shù)都是在很窄的電壓范圍內(nèi)工作。超過(guò)了電池的工作電壓就不可以正常使用。而超級(jí)電容的工作電壓比較寬，可以面對(duì)更多的場(chǎng)合。超級(jí)電容綠色環(huán)保，不發(fā)生化學(xué)反映，對(duì)環(huán)境不會(huì)導(dǎo)致污染。4.超級(jí)電容壽命長(zhǎng)超級(jí)電容的電能存儲(chǔ)為純粹的物理變化，因此在電容的使用中，不存在物質(zhì)的轉(zhuǎn)換，保證了電容的長(zhǎng)期使用可靠性，超級(jí)電容提供長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)-50萬(wàn)次的使用壽命。5.超級(jí)電容維護(hù)和保養(yǎng)方便因超級(jí)電容可以低電壓使用，所以可以將超級(jí)電容器放電至零伏，在存儲(chǔ)中可以無(wú)電操作，大大減少了超級(jí)電容的維護(hù)和保養(yǎng)成本。在帶電使用過(guò)程中，只要保證在額定電壓下工作，級(jí)別不需要做維護(hù)保養(yǎng)。6.超級(jí)電容合用溫度范圍寬超級(jí)電容有很好的溫度合用性，可以在較低的溫度正常使用。乃至在-40度的情況下仍可正常使用，解決了多數(shù)電池在低溫情況下失效的問(wèn)題。1.2.2超級(jí)電容的發(fā)展現(xiàn)狀21世紀(jì)，隨著全球氣候變暖，資源短缺，全世界很多國(guó)家都在開(kāi)發(fā)新的綠色環(huán)保能源，而超級(jí)電容生產(chǎn)所用的材料普遍是綠色環(huán)保的。因此超級(jí)電容作為一種新型的環(huán)保儲(chǔ)能元器件正在被越來(lái)越多的國(guó)家所研究和生產(chǎn)。超級(jí)電容器從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了三十?dāng)?shù)年的發(fā)展歷程。目前，微型超級(jí)電容器在小型機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，例如電腦內(nèi)存系統(tǒng)、照相機(jī)、音頻設(shè)備和間歇性用電的輔助設(shè)施。而大尺寸的柱狀超級(jí)電容器則多被用于汽車領(lǐng)域和自然能源采集上，并可預(yù)見(jiàn)在該兩大領(lǐng)域的未來(lái)市場(chǎng)上，超級(jí)電容器有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。?guó)外研究超級(jí)電容器起步較早，技術(shù)相對(duì)比較成熟。他們均把超級(jí)電容器項(xiàng)目作為國(guó)家級(jí)的重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家一直致力于開(kāi)發(fā)高比功率和高比能量的超級(jí)電容器。在超級(jí)電容器的研究中，許多工作都是開(kāi)發(fā)在各種電解液中又叫高比能量的電極材料。目前應(yīng)用超級(jí)電容器的材料重要有碳基材料、金屬氧化物及水合物材料和導(dǎo)電聚合物材料三種。近幾年來(lái)，由于看好超級(jí)電容的大好發(fā)展前景，中國(guó)一些公司也試探進(jìn)入這一領(lǐng)域，并且已經(jīng)具有了一定的技術(shù)研發(fā)實(shí)力。1.2.3導(dǎo)致超級(jí)電容不均壓的影響因素在對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容電池組進(jìn)行充電的過(guò)程中，由于各單體電容器之間存在的差異，會(huì)導(dǎo)致各電容充電速率不同，使得單體電容兩端電壓不均衡，最終導(dǎo)致電容過(guò)充過(guò)放，影響超級(jí)電容的壽命和電路的穩(wěn)定性。1.3論文內(nèi)容安排第一章：緒論部分，重要介紹了超級(jí)電容器的研究背景、課題研究意義，國(guó)內(nèi)外超級(jí)電容的研究現(xiàn)狀，影響超級(jí)電容的因素。第二章：重要介紹了關(guān)于超級(jí)電容的相關(guān)知識(shí)，如超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理、特性參數(shù)、超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，超級(jí)電容器的電壓均衡的必要性。第三章：重要研究了超級(jí)電容的電壓均衡方案，并通過(guò)度析比較，選擇適合本課題實(shí)際應(yīng)用的電壓均衡方法。第四章：介紹了集中常用的輸出電壓穩(wěn)壓方法、穩(wěn)壓芯片介紹、結(jié)合本課題實(shí)際應(yīng)用選擇最佳的穩(wěn)壓電路。第五章：超級(jí)電容器作為后備電源在路由器上的應(yīng)用。第六章：對(duì)超級(jí)電容器的充放電控制電路做個(gè)簡(jiǎn)要的總結(jié)。2超級(jí)電容器充放電控制原理2.1超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理超級(jí)電容重要由電極、電解液、集電極、隔離膜、連線極柱、密封材料和排氣閥組成，電極的材料、制造技術(shù)，電解質(zhì)的組成和隔離膜質(zhì)量對(duì)超級(jí)電容器的性能有較大影響。電解質(zhì)的分解電壓決定電容器的工作電壓，而工作電壓決定電容器的能量與輸出功率，一般水溶液電解液分解電壓約為1V，有機(jī)電解液約為3V；電極和電解液的材料通常決定著超級(jí)電容器的工作原理。

超級(jí)電容按儲(chǔ)能機(jī)理重要分為三類（1）由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容；（2）采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反映而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容；（3）由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反映的電容。由于雙電層電容充放電純屬于物理過(guò)程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過(guò)程快，但其所儲(chǔ)的能量較小，在混和動(dòng)力車輛的大容量需求下，通常將雙電層電容和法拉第電容結(jié)合，制成不對(duì)稱電極的混和超級(jí)電容。圖2-1超級(jí)電容充放電示意圖2.2影響超級(jí)電容容量的因素導(dǎo)致超級(jí)電容器單體電壓不均衡的因素重要有以下三個(gè)：1．電容量的差異超級(jí)電容器的電壓u、電流i電量Q以及容量W滿足以下關(guān)系式：(2-1)(2-2)(2-3)從公式（2-1）可看出，假如電容單體之間的電容值存在差異，在恒定電流充電的條件下，電壓的變化率是不同的，由公式（2-3）也可以看出，電容值越小的電容電壓上升的速度越快。而電容的容量與電壓的平方成正比，所以電容值的差異會(huì)導(dǎo)致充電過(guò)程中各單體電容容量不同樣。2.等效串聯(lián)阻抗（ESR）超級(jí)電容器的等效串聯(lián)阻抗（ESR）是表征超級(jí)電容器性能的一個(gè)重要參數(shù)。超級(jí)電容器的ESR比傳統(tǒng)電容器要大，并且反復(fù)運(yùn)用其值會(huì)逐漸增大，這會(huì)導(dǎo)致單體電容器間的ESR差異越來(lái)越明顯，故在充放電時(shí)，ESR大的電容將先于ESR小的達(dá)成充放電結(jié)束，導(dǎo)致ESR小的電容充放電不充足。3．漏電流漏電流是表征超級(jí)電容器電荷保持能力的一項(xiàng)重要參數(shù)，漏電流大的超級(jí)電容器在靜置一段時(shí)間后其保持的電荷量要明顯低于漏電流小的電容器。故在放電過(guò)程中，漏電流大的電容率先放點(diǎn)結(jié)束，而漏電流小的電容器則剩余了更多的電荷，放電過(guò)程比較緩慢。但是在充電過(guò)程中，漏電流小的電容器會(huì)一方面充滿電。通過(guò)以上分析可知，超級(jí)電容器單體存在某些參數(shù)上的差異，由于這些差異的存在會(huì)使超級(jí)電容在充放電過(guò)程中電壓不均衡，假如超級(jí)電容器長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境下工作，會(huì)大大的縮短其使用壽命。由于電解液的揮發(fā)速度與超級(jí)電容的工作電壓有關(guān)，工作電壓越高，就會(huì)導(dǎo)致的更多的電解液參與反映，由此電解液的分解速度也加快，過(guò)快的反映會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容的等效阻抗和自放電率加大，電容容量下降，電容整體工作性能會(huì)下降，由此導(dǎo)致一系列惡性循環(huán)，所以對(duì)于串并聯(lián)的超級(jí)電容器充放電電路來(lái)說(shuō)，電壓不均衡會(huì)嚴(yán)重限制超級(jí)電容防的應(yīng)用，所以研究超級(jí)電容電壓均衡方法很有必要。2.3超級(jí)電容器穩(wěn)壓均衡方案前面提過(guò)，串聯(lián)超級(jí)電容器組在充放電過(guò)程中存在電壓不均衡的問(wèn)題。常見(jiàn)的電壓均衡方法重要可以歸為能耗型和回饋型兩大類。穩(wěn)壓管均衡法和開(kāi)關(guān)電阻法屬于能耗型電壓均衡方法，而DCDC變換器法、變壓器法、飛度電容法屬于回饋型電壓均衡法。能耗型電壓均衡方法的基本原理是將電壓較高的單體電容部分以熱量或者其他形式能量消耗掉，從而減少其充電速率。這種方法具有電路簡(jiǎn)樸、易于控制、成本低等優(yōu)點(diǎn)；缺陷是元器件發(fā)熱量大、能量損耗嚴(yán)重，均衡效率低。這種方法合用于充電功率小的場(chǎng)合使用?；仞佇碗妷壕夥椒梢院芎玫亟鉀Q能耗型均衡法費(fèi)能量的缺陷，其基本核心是通過(guò)能量變換器將單體之間的偏差能量饋贈(zèng)回送電容器組或組中某些電壓較低的單體，從而在不消耗能量的前提下實(shí)現(xiàn)了電壓的動(dòng)態(tài)平衡。由于不消耗能量，此種方法不存在發(fā)熱的問(wèn)題，且均衡速度快、均衡效率高，但同樣具有電路控制復(fù)雜、成本較高等因素限制。2.4超級(jí)電容器充放電特性分析2.4.1電壓特性分析超級(jí)電容使用壽命長(zhǎng)，理論上可以無(wú)限次充放電，其存儲(chǔ)的電荷和能量可以通過(guò)檢測(cè)電壓值的方式近似擬定，判斷超級(jí)電容是否充滿非常方便，所以超級(jí)電容器的充電控制可借鑒傳統(tǒng)蓄電池的充電方式，也可通過(guò)大脈沖電流對(duì)其進(jìn)行快速充電，目前對(duì)超級(jí)電容最常用的充放電方式為恒流充電。2.4.2超級(jí)電容器恒流充電特性分析等效電路模型超級(jí)電容的儲(chǔ)能原理基于多孔材料“電極/溶液”界面的雙電層結(jié)構(gòu)，從阻抗角度分析，參考S.A.Hashmi等人的模擬電路，等效電路為一般的RC電路。超級(jí)電容器的等效模型如圖2-2所示。其中，EPR為等效并聯(lián)內(nèi)阻，ESR為等效串聯(lián)內(nèi)阻，C為等效容抗，L為電容感抗。EPR重要影響超級(jí)電容器的漏電流，從而影響電容的長(zhǎng)期儲(chǔ)能性能，EPR通常很大，可以達(dá)成幾萬(wàn)歐姆，所以漏電流很小。L代表電容器的感性成分，它是與工作頻率有關(guān)的分量。圖2-2超級(jí)電容器的等效模型2.4.3等效串聯(lián)電阻對(duì)充電過(guò)程影響分析限制超級(jí)電容器應(yīng)用的重要因素是電容器的等效串聯(lián)電阻ESR過(guò)大，限制了其大電流輸出能力。雙電層電容器ESR是反映其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。電容器的等效電阻重要由電極物質(zhì)內(nèi)阻、溶液內(nèi)阻、接觸電阻等構(gòu)成。等效串聯(lián)電阻的外在表現(xiàn)為：當(dāng)電極充電到某一恒定電位足夠長(zhǎng)時(shí)間，電容開(kāi)始放電時(shí)電極電位會(huì)有一個(gè)突降U。該現(xiàn)象影響超級(jí)電容器的有效儲(chǔ)能量，并隨充電電流的增長(zhǎng)，端電壓的突變幅度增長(zhǎng)，有效儲(chǔ)能量減少。由于超級(jí)電容器在恒電流充放電過(guò)程中，電流的大小或方向在充電過(guò)程結(jié)束和放電過(guò)程結(jié)束時(shí)發(fā)生改變，所以可以通過(guò)電流階越方法測(cè)定電容器等效串聯(lián)電阻。具體方法是精確記錄改變電流大小及方向時(shí)電容器電壓的改變，運(yùn)用關(guān)系式ESR=U/I計(jì)算電容器的等效串聯(lián)電阻。室溫下，將額定容量為2700F的超級(jí)電容器單體的額定電壓Umax=2.7V擬定為工作電壓上限，Umin=1.35V擬定為工作電壓下限，分別運(yùn)用恒流I=20A，50A，100A對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電測(cè)試。圖2-3表達(dá)了充電過(guò)程中超級(jí)電容器電壓的變化情況。超級(jí)電容器充電電壓基本呈線性變化：在充電初始階段，超級(jí)電容器電壓上升不久，中間變化相對(duì)平緩，之后上升幅度再次加快，在充電初始和充電末階段有明顯的電壓波動(dòng)；充電電流越大，滿充時(shí)間越短，驗(yàn)證了超級(jí)電容器大電流快速充電的特點(diǎn)。具體分析超級(jí)電容器端電壓波動(dòng)因素，端電壓變化幅度ΔU(ΔU1<ΔU2<ΔU3)重要受充電電流和等效串聯(lián)電阻的影響，這兩個(gè)因素的作用使超級(jí)電容器的有效儲(chǔ)能量發(fā)生變化，且隨著充電電流的增長(zhǎng)，電容器有效端電壓范圍縮短，導(dǎo)致有效儲(chǔ)能量減少。圖2-3超級(jí)電容器恒流充電端電壓變化2.5容量特性分析根據(jù)電容原理有(2-4)式中：I—電流；C—電容；dVc—因電容放電引起的電壓變化量；dt—放電時(shí)間變化量。dVc=Idt/C（2-5）等效串聯(lián)電阻部分引起的電壓降：=(2-6)超級(jí)電容器端電壓總變化dV為：(2-7)變換可得所需超級(jí)電容器的容量C：(2-8)對(duì)于多孔碳材料做極化電極的超級(jí)電容器，其存儲(chǔ)電荷的電容C與碳材料的表面性質(zhì)緊密相關(guān)，其中多孔碳電極的比表面積和微觀孔徑尺寸分布是影響超級(jí)電容器雙電層容量的重要因素。實(shí)驗(yàn)中，分別運(yùn)用電流為10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A對(duì)同一超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電，并測(cè)量電容器的電容，結(jié)果如圖2-4所示。圖2-4超級(jí)電容器恒流充電容量變化在動(dòng)態(tài)工作情況下，用線性函數(shù)擬合來(lái)預(yù)測(cè)超級(jí)電容器在任意工作電流水平點(diǎn)相應(yīng)的超級(jí)電容器靜電容量C值。運(yùn)用Matlab對(duì)獲取的電容值進(jìn)行3階擬合，相應(yīng)函數(shù)為f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如圖2-4所示，超級(jí)電容器的容量隨充電電流的增長(zhǎng)而下降。結(jié)合超級(jí)電容器的內(nèi)部構(gòu)成分析，超級(jí)電容器的轉(zhuǎn)換效率和有效容量，受其有效內(nèi)阻和充放電電流的影響，要使其貯能量最大化，就要使容量最大化，即規(guī)定電極表面積最大化和雙電層厚度的最小化。在充電過(guò)程中，充電電流密度影響著電極極化反映的比表面積和微孔傳輸反映粒子、離子電荷的速度，并因充電電流增大，碳電極的有效反映表面和微孔運(yùn)用率減小而導(dǎo)致容量減少。2.6超級(jí)電容器的放電特性超級(jí)電容器的放電過(guò)程是充電的逆過(guò)程，其放電特性和傳統(tǒng)電容器輸出特性相似，當(dāng)外接負(fù)載時(shí)，電壓的變化是呈指數(shù)下降的。由于負(fù)載等效電阻通常小于超級(jí)電容器內(nèi)部并聯(lián)等效電阻REP，所以在分析超級(jí)電容器放電過(guò)程時(shí)可以忽略REP的作用，將其等效為抱負(fù)電容器cf和串聯(lián)等效阻抗Res串聯(lián)的電路模型。圖2-5超級(jí)電容器放電電路等效模型放電過(guò)程中，超級(jí)電容器兩端電壓和放電電流的關(guān)系為c（2-9）從公式可以看出，超級(jí)電容器兩端電壓值的變化與抱負(fù)電容兩端電壓以及放電電流密切相關(guān)。小電流放電時(shí)，Res上的電壓壓降可以忽略，此時(shí)超級(jí)電容器可以等效為抱負(fù)電容器，可以按照抱負(fù)電容器的相關(guān)公式進(jìn)行儲(chǔ)能分析。當(dāng)大電流放電時(shí)，Res上壓降較大，假如檢測(cè)到負(fù)極電壓在達(dá)成規(guī)定的下限時(shí)，超級(jí)電容器將會(huì)停止運(yùn)作，由公式可知，此時(shí)抱負(fù)電容器兩端電壓仍然停留在一個(gè)較大值，即超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量并沒(méi)有完全釋放出來(lái)，可見(jiàn)串聯(lián)等效電阻Res的存在影響了超級(jí)電容器的功率輸出，減少了超級(jí)電容器的有效儲(chǔ)能。所以大電流放電時(shí)，Res的能耗不能忽略。在超級(jí)電容器放電過(guò)程中，不可避免的會(huì)導(dǎo)致端電壓的下降，為了滿足負(fù)載需求及提高儲(chǔ)能運(yùn)用率，通常需要為超級(jí)電容器配置電力電子變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)功率變換器使超級(jí)電容器處在恒流放電、恒壓放電獲恒功率放電等運(yùn)營(yíng)模式，其中恒壓放電是實(shí)際應(yīng)用中最常使用的方式。3超級(jí)電容器電壓均衡研究3.1電壓均衡方案電壓均衡在超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用中有著很重要的作用，同時(shí)電壓均衡方案的選取也直接關(guān)系到超級(jí)電容器組能否正常高效的工作。超級(jí)電容器電壓均衡方法有許多種方式，重要分為能耗型和回饋型兩大類也各有其各自的優(yōu)缺陷。本課題通過(guò)對(duì)比分析選擇出比較使用的電壓均衡方案。3.1.1穩(wěn)壓管電壓均衡法穩(wěn)壓管的基本工作原理是每個(gè)超級(jí)電容器都并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)電容器的工作電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，充電電流就會(huì)從穩(wěn)壓管上流過(guò)，電容器的電壓不再上升。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，成本低；但是其充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。圖3-1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓法示意圖圖3-2穩(wěn)壓管穩(wěn)壓法仿真電路3.1.2開(kāi)關(guān)電阻均衡法圖3-3開(kāi)關(guān)電阻均衡法每個(gè)超級(jí)電容器與一個(gè)電阻和開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成的支路并聯(lián)，當(dāng)電容器的工作電壓達(dá)成額定值時(shí)，開(kāi)關(guān)閉和，充電電流就會(huì)從電阻和開(kāi)關(guān)上旁路，不再給電容器充電。該方法控制靈活，可根據(jù)充電電流的大小來(lái)設(shè)定旁路電阻；但是此方法會(huì)導(dǎo)致能量花費(fèi)，電阻發(fā)熱量大。3.2回饋型電壓均衡方案3.2.1DCDC變換器法DCDC變化器法，在每?jī)蓚€(gè)相鄰超級(jí)電容器之間都串聯(lián)一個(gè)Buck/Boost變換器，比較相鄰電容器之間的電壓，使能量在相鄰的兩個(gè)電容器間傳遞，最終將電壓高的超級(jí)電容器中能量通過(guò)變換器轉(zhuǎn)移到電壓低的超級(jí)電容器中。對(duì)于N個(gè)電容器組成的串聯(lián)電容器組，需要N-1個(gè)Buck/Boos變換器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能量損耗低，電壓均衡速度快，在充放電過(guò)程中都可以進(jìn)行電壓均衡。但其需要的功率器件多，成本也比較高。圖3-4DCDC變換器法3.2.2開(kāi)關(guān)電容法多電容器電壓均衡法是運(yùn)用多個(gè)容量很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的一部分能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。它運(yùn)用一組電容器在串聯(lián)電容組相鄰之間傳遞電荷，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。單電容均壓方法是運(yùn)用一個(gè)超級(jí)電容很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，即“飛渡”電容器，將電壓高的超級(jí)電容器中的能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)通和關(guān)斷，定期掃描各個(gè)電容電壓，將“飛渡”電容器連接到電壓最低的電池兩端，等效地增長(zhǎng)或減小點(diǎn)吃的充放電電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。圖3-5電容均衡法電路圖圖3-6多電容均衡法電路圖表3-1各種電壓均衡方案的比較項(xiàng)目電路結(jié)構(gòu)能量損耗充電速度均衡效率控制過(guò)程成本穩(wěn)壓管法簡(jiǎn)樸較大較慢低簡(jiǎn)樸低開(kāi)關(guān)電阻法較為簡(jiǎn)樸較大慢低簡(jiǎn)樸低DCDC變換器發(fā)較為復(fù)雜較小快高較為復(fù)雜較高飛度電容法復(fù)雜無(wú)快高復(fù)雜低3.3各種方案的比較通過(guò)上述幾種方案的介紹和比較，我們能看出，穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法雖然具有電路簡(jiǎn)樸、控制方便，節(jié)約成本等特點(diǎn)，但其發(fā)熱花費(fèi)嚴(yán)重，DCDC能量變換法解決了能量的消耗和發(fā)熱問(wèn)題，并且可以承受大電流充電，縮短了充電時(shí)間、提高了充電效率，但是、它據(jù)喲普控制過(guò)程復(fù)雜、成本高等缺陷。飛渡電容均衡法無(wú)能量損耗和發(fā)熱問(wèn)題，均衡效率高，成本較低，但用到開(kāi)關(guān)器件多，系統(tǒng)體積龐大，系統(tǒng)檢測(cè)較為復(fù)雜。4超級(jí)電容放電穩(wěn)壓研究4.1超級(jí)電容器放電等效模型超級(jí)電容器的放電特性與普通電容器相似，電壓變化隨時(shí)間是呈指數(shù)形式變化的。超級(jí)電容的容量很大，在放出相同電量Q的情況下，超級(jí)電容器的電壓降落率du比普通電容器的壓降要小得多，但是假如長(zhǎng)時(shí)間大電流放電，電壓下降還是非常明顯的。在實(shí)際應(yīng)用中，常見(jiàn)的穩(wěn)壓方案有很多種，涉及穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、DCDC變換器穩(wěn)壓電路、集成芯片穩(wěn)壓電路等。圖4-1超級(jí)電容器放電模型4．2集成穩(wěn)壓電路4.2.1穩(wěn)壓芯片介紹集成穩(wěn)壓電路是采用集成芯片來(lái)使輸出電壓穩(wěn)定的，這種穩(wěn)壓方法具有高度的集成性，并且體積小，控制方便，。常見(jiàn)的穩(wěn)壓芯片重要有三端穩(wěn)壓78LXX、MC34063等。三端式穩(wěn)壓器是一種應(yīng)用非常廣泛的集成穩(wěn)壓器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。三端固定式集成穩(wěn)壓器是將取樣電阻、補(bǔ)償電阻、保護(hù)電路、大功率調(diào)整管都集成在一個(gè)芯片上，整個(gè)芯片只有輸入輸出和公共端三個(gè)引腳，使用非常方便，因此獲得廣泛應(yīng)用，它的缺陷是輸出電壓固定，所以必須生產(chǎn)各種輸出電壓、電流規(guī)格的系列產(chǎn)品。7800系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定正輸出電壓的集成穩(wěn)壓器，7900系列集成穩(wěn)壓器是常用的固定負(fù)輸出電壓的集成穩(wěn)壓器。4.2.2MC34063集成穩(wěn)壓是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流----直流變換器控制部分。該器件自身包含了DC／DC變換器所需要的重要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R—S觸發(fā)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)電路等組成。該器件可用于升壓變換器、降壓變換器、反向器的控制核心，由它構(gòu)成的DC／DC變換器僅用少量的外部元器件。重要應(yīng)用于以微解決器(MPU)或單片機(jī)(MCU)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)里。4.2.3MC34063重要特性參數(shù)MC34063重要特性參數(shù)和引腳介紹如表4-1和4-2所示。表4-1MC34063重要參數(shù)符號(hào)參數(shù)名稱數(shù)值單位Vi輸入電壓2.5-40VVo輸出電壓1.25-40VIo輸出開(kāi)關(guān)電流1.5AVREF參考穩(wěn)壓電源1.25Vf工作頻率0.1-100KHZ表4-2MC34063引腳介紹引腳序號(hào)符號(hào)功能引腳序號(hào)符號(hào)功能1CSW開(kāi)關(guān)集電極5INCOM比較器反相輸入2ESW開(kāi)關(guān)發(fā)射極6VCC電源3GT定期電容器7IPK電流限止傳感4GND接地8CDR驅(qū)動(dòng)器集電極MC34063的穩(wěn)壓原理和串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路類似，通過(guò)采樣電阻采集輸出電壓，然后通過(guò)內(nèi)部比較器、振蕩器和RS觸發(fā)器來(lái)完畢電壓反饋，最終達(dá)成文雅的目的。正激勵(lì)型DCDC變換器的輸出電壓計(jì)算公式為：=(1+)（4-1)圖4-2MC34063穩(wěn)壓應(yīng)用電路電路原理如圖4-2所示，該電路是在MC34063典型的降壓電路上，用開(kāi)關(guān)變壓器取代自感線圈實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用開(kāi)關(guān)變壓器以獲取隔離直流電源的能量供應(yīng)。開(kāi)關(guān)變壓器通過(guò)C1濾波，L1的高頻遏制穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓，便可獲得穩(wěn)