傳統(tǒng)蓄電池電源系統(tǒng)的電池記憶效應(yīng)差、容量下降及充電時間過長是長久以來一直存在的問題，而這些問題可使用超級電容來解決。超級電容是一種極大程度上模擬了電容的電壓特性曲線且具有非常高的容值的新型能源器件，目前已有萬法拉級的超級電容單體。超級電容無充放電記憶效應(yīng)，允許上百萬次充放電而不會有任何容量上的損失。此外，超級電容具有極低的等效串聯(lián)電阻（ESR），這一特性使得超級電容可以大電流充放電，其額度遠超過當前最好的電池。低ESR和幾乎沒有電流限制的特性使得超級電容對充電系統(tǒng)表現(xiàn)出“假短路”，這給系統(tǒng)集成帶來了挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，需要針對超級電容的特性尋找新的充電方式。與電池不同，超級電容可以同樣的額度充電和放電，對能量回收系統(tǒng)(如傳動系統(tǒng)的動態(tài)剎車)非常有用。
1 系統(tǒng)設(shè)計理論分析
    由于RC時間常數(shù)太大，線性穩(wěn)壓器對超級電容充電效率極低。由于超級電容具有較低的等效串聯(lián)電感，使得開關(guān)模式充電電路的運行穩(wěn)定。由于超級電容可以承受大電流的特性，恒流充電或者恒功率充電是較好的充電方式。
1.1 超級電容充電模型
    參考文獻[1]比較了不同應(yīng)用場合下的不同的超級電容模型。由于本系統(tǒng)是設(shè)計超級電容充電機，因此需要采用超級電容的充電模型。它由阻性部分等效電阻ESR和容性部分電容C串聯(lián)而成，表征了超級電容的充放電特性。
    超級電容的電壓時間特性曲線由容性和阻性兩部分組成。容性部分代表了超級電容能量改變導(dǎo)致的電壓改變；阻性部分代表了超級電容ESR導(dǎo)致的電壓改變。
    容性部分由下列方程式?jīng)Q定：
  
所以充電或者放電時的總電壓改變量為：

    超級電容最重要的參數(shù)是ESR和電容值的大小(可以從產(chǎn)品手冊上獲知)。式(1)為超級電容充電的理論模型[2]。
1.2 恒流充電與恒功率充電
    超級電容特性決定了恒流充電和恒功率充電是兩種較好的充電方式。采用DC-DC變換器可以實現(xiàn)這兩種充電方式。使用BUCK或者BOOST電路來對超級電容充電，在連續(xù)輸出電流時，BUCK電路是首選。但是對于充電時間敏感的充電機來說，恒流充電并不是最優(yōu)選擇，恒功率充電在充電時間上更有優(yōu)勢。比如，對一個100 F、50 V的超級電容模組使用50 V、20 A的電源進行充電，在恒流充電模式下，最大充電電流為20 A；而在恒功率充電模式下，充電功率可達1 000 W，其中最大充電電流限制為50 A。如圖1所示，恒流充電至50 V時所需時間為250 s，而恒功率充電至50 V所需時間約為145 s。這表明恒功率在充電時間上比恒流充電更具優(yōu)勢[3]。

1.3 恒功率充電實現(xiàn)原理
    恒功率的基本原理是保持電壓和電流的乘積不變。本設(shè)計采用雙管正激變換器拓撲，使用峰值電流控制的方法進行恒功率設(shè)計。雙管正激電路是隔離型降壓電路，設(shè)輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vout，變壓器變比為1:n，占空比為D，則輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：
    Vout=Vin×D×n
    電路設(shè)計好后，Vin和變比n不變，可通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。如圖2所示曲線1對應(yīng)的充電電流大于曲線2對應(yīng)的充電電流。R、S對應(yīng)的波形是RS觸發(fā)器復(fù)位和置位端波形。根據(jù)峰值電流控制原理，每個開關(guān)周期之初，時鐘脈沖置位RS觸發(fā)器，使開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流逐漸增加，當檢測到電流信號is大于指令電流ic時，電流比較器翻轉(zhuǎn)并復(fù)位RS觸發(fā)器，這時開關(guān)管被關(guān)掉，變壓器停止傳輸功率，扼流圈電流由續(xù)流二極管續(xù)流。通過峰值電流控制，當電流增大時，PWM占空比減小，根據(jù)輸出電壓的計算式可知輸出電壓也減小，從而使得輸出電壓和輸出電流乘積(即輸出功率)保持不變，這就是恒功率充電的基本原理[4]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    本設(shè)計擬對Maxwell公司的產(chǎn)品BMOD0165(額定電壓為48 V，額定容值為165 F)超級電容模組進行充電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件系統(tǒng)由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測反饋電路及保護電路等部分組成。系統(tǒng)首先將單相220 V交流電經(jīng)過整流濾波后得到直流電壓，然后通過雙管正激變換器實現(xiàn)降壓，并在電氣上實現(xiàn)輸入輸出的隔離。引入電流反饋環(huán)節(jié)，通過峰值電流控制實現(xiàn)恒功率充電。

2.1 雙管正激電路
    雙管正激電路[5]是一種可靠的DC-DC電路，廣泛使用于低壓大電流場合中，雙管正激拓撲如圖4所示。如果電路工作在CCM方式，假定MOS開關(guān)管Q1、Q2漏源電容電壓為零，則漏源電壓就能瞬時變化。如圖5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管柵源驅(qū)動信號，兩者時序相同，即Q1、Q2同時開通、同時關(guān)斷。

    t0~t1：t0時刻，Q1、Q2同時開通，變壓器T1原邊電壓為直流母線電壓Vdcin，設(shè)變比為1：n，則副邊電壓為Vdcin×n，電壓極性不變。輸出電流線性增大，經(jīng)過副邊整流管D3、扼流圈后進入超級電容。扼流圈存儲能量，此時，開關(guān)管電流is1、is2由副邊反射電流和勵磁電流組成，且線性增大。
    t1~t2：Q1、Q2同時關(guān)斷，變壓器T1原邊電流經(jīng)過原邊續(xù)流二極管D1、D2進入母線，變壓器磁芯復(fù)位，此時變壓器主側(cè)電壓為-Vdcin，則副邊電壓為-Vdcin×n，電壓極性不變。Q1、Q2開關(guān)管漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin。此時，副邊整流管D3截止，扼流圈電流通過續(xù)流管D4續(xù)流，輸出電流線性減小，進入超級電容。扼流圈釋放能量，此時，開關(guān)管電流is1、is2減小到0。
    t2~t3：t2時刻，原邊續(xù)流管關(guān)斷，續(xù)流結(jié)束，變壓器磁芯復(fù)位，變壓器T1原邊電壓為零。此時，Q1、Q2漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin/2。副邊續(xù)流仍繼續(xù)，t3時刻續(xù)流副邊續(xù)流結(jié)束，下一個驅(qū)動高電平到來，開關(guān)管Q1、Q2開通。進入下一個開關(guān)周期。
2.2 電流電壓雙閉環(huán)控制回路
    本設(shè)計中采用雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)充電電流和充電電壓的控制，使用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能電流型PWM控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示；內(nèi)部有一個誤差放大器和電流放大器可以方便地組建電流電壓雙閉環(huán)，在實際使用中，為了具有更快的響應(yīng)速度，可略去誤差放大器，使用電壓調(diào)整器TL431和光耦PC817構(gòu)成電壓反饋。電流環(huán)通過使用LEM公司的電流傳感器LAH 25-NP來組建。

    雙閉環(huán)電路原理圖如圖7所示，Vs是來自LEM霍爾電流傳感器LAH 25-NP輸出的電壓測量信號，通過一階濾波環(huán)節(jié)后進入電流反饋端，即圖中電流比較器的負端。VO 48 V來自功率部分的輸出，由于TL431最大只能穩(wěn)壓到36 V，故需要對經(jīng)典TL431穩(wěn)壓電路進行部分修改，以滿足48 V穩(wěn)壓要求。在TL431的3腳(即K極)引入24 V穩(wěn)壓管D4_Z1，TL431的端電壓約為24 V，從而可在安全工作區(qū)內(nèi)正常穩(wěn)壓工作。PC817實現(xiàn)電氣上的隔離，并通過輸出電壓Vce穩(wěn)壓。當超級電容電壓接近48 V時，PC817輸出電流Ic增大，則Vce減小，同時進入UC3844補償端1腳的信號減小，相應(yīng)輸出PWM占空比也減??；當超級電容電壓超過48 V時，UC3844補償端1腳拉低，PWM關(guān)斷，起到過壓保護的作用。

3 整機調(diào)試
    實驗設(shè)計了最大功率為1 kW的超級電容充電樣機，實驗測試表明，對BMOD0165(額定48 V、165 F)超級電容模組充電時間約為5 min。圖8為電路中的關(guān)鍵工作波形，其電壓為30 V、充電電流約為10 A的充電波形。從上至下依次是Vds、Vpri、PWM信號和開關(guān)管峰值電流波形。由于緩沖電路的作用，使得波形干凈無雜波，基本沒有電壓尖峰。Vpri負電壓有一定變形，但是不影響電路性能。

    本文研究了超級電容的充放電特性，分析了快速充電的方法，設(shè)計并實現(xiàn)了快速充電樣機，試驗表明充電時間短，達到了應(yīng)用要求。
參考文獻
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[2] Maxwell technologies.Charging of ultracapacitors[C].Technical Note-Document #1008981 Rev 1 Maxwell Technologies，2005.
[3] EDELSON R.Charging ultra-capacitorswith current-fed roger edelson.power supplies[C].MSEE，Power Partners，2005.
[4] ROBERT W.Erickson dragan maksimovic fundmentals of  power electronics[C].Sencond Edition Kluwer Acdemic Publishers New Yourk，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2001.
[5] MUHAMMAND H.電力電子學(xué)-電路、器件及應(yīng)用(英文版，第三版)[M].北京：人民郵電出版社，2007.