一种新型超级电容模组充电电源设计

一种新型超级电容模组充电电源设计

       超级电容器（Supercapacitors,ultracapacitor），不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次 。

         根据蓄电池的正负脉冲、充电电压波动等特点，提出一种馈能式正负脉冲快速充电方法。提出利用一种基于电动汽车与能源互联网的电容模组充电设计方法。化学方法实现超级电容单体的制备与性能优化，可以提高电容的充电效率。超级电容模组的容量配置、能量管理以及寿命等影响因素，得出的结论对电容模组充电电源的设计有重要的意义。

       超级电容器的储能原理不同于蓄电池，其充放电过程的容量状态有其自身的特点。超级电容器受充放电电流、温度、充放电循环次数等因素影响，其中充放电流是最主要的影响因素。本设计方案主要分析恒流充电条件下的超级电容器特性。恒流限压充电的方法为控制电压，恒流充电结束后转入恒压浮充，直到超级电容器充满。

        采用这种充电方法的优点是：1.阶段采用较大电流以节省充电时间，后期采用恒压充电可在充电结束前达到小电流充电，既保证充满，又可避免超级电容器内部高温而影响超级电容器的容量特性。

本文采用先进的微电子技术、MCU和电力电子技术，设计并实现了一种新型超级电容模组充电电源，包括可调节恒流充电和恒压充电电路设计、恒流与恒压转换控制电路设计、高频变压器设计与选型及功率MOSFET选择等。本项目设计可有效解决充电电压不可调节的问题，同时采用充电电流可调节设计，可使电源适应不同厂家，不同容量的超级电容模组。

1  超级电容模组充电电源硬件电路的设计

超级电容模组充电电源，其主要分为6个部分组成。分别为：1）EMC处理电路；2）充电调节电路；3）充电控制电路；4）温度采集电路；5）供电电源；6）状态指示电路。

1）EMC处理电路 

该电路主要作用是对充电电源对共模干扰和差模干扰的进行抑制。对于共模干扰，使用了CY电容和共摸电感L进行抑制。对于差模干扰，采用了CX电容进行抑制。

2）充电调节电路

调节电路主要是对充电电流调节和充电电压进行调整。调整电路采用可调电位器进行调整，调整后的分压分为ADC_I和ADC_U，两个电压进入到微控制器中的内部ADC中。程序对两个分压电压进行采样得到相对应的充电电流设定值和充电电压设定值。

3）充电控制电路

控制部分主要由MOSFET电力管Q和高频变频器T以及相对应的方波发生器及电压比较器等构成。电阻R1，R2对直流输出电压进行采样与微控制器PWM1输出的电压设置信号进行比较，如果直流输出电压超过电压设定值，则关断Q1，停止对电容充电。

电阻RS对充电电流进行采样，采样后的电压与微控制器输出的PWM2输出电流设置信号进行比较，如果充电电流超过设定值，则关断Q1，停止对电容充电。同时，微处理器采集到超级电容温度和充电电路温度两个中的任意一个温度超限，则微控制器输出T_ctl信号，关断Q1，停止对电容充电，实现了温度保护。

4）温度采集部分

主要有三个温度传感器t1，th，tc。t1主要采集充电回路主要发热的高频变压器，th采集环境温度，tc为外置的温度传感器采集超级电容模组的温度。三个温度传感器采用SPI数据接口，由微处理器直接进行读取温度数据。当温度越限后，微处理器输出T_ctl信号，关断Q1，停止对电容充电，实现了温度保护。

5）供电电源部分

主要有AC/DC模块和LDO线性电源构成。AC/DC采用宽输入电源模块，应具有裸机抗EMC能力强等特点。AC/DC输出电压由于具有一定的纹波，无法直接供给微处理器直接使用，因此采用了线性电源进行降压，并降低电源的纹波。

6）状态指示部分

主要由4个发光二极管构成，分别指示电源微处理器运行状态，超级电容充电状态，电源过热或外部超级电容过热，电源充电时过载等信息。