第５期（总第１７４期）
２０１２年１０月机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５
Ｏｃｔ．
文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－０１７０－０
２超级电容充电策略研究
汪亚霖，文　方
（贵州大学电气工程学院，贵州　贵阳　５５０００１
）摘要：超级电容是一种绿色环保的电化学电容器，其充电过程受内阻和有效电容等诸多因素的影响，对其充电方法进行研究，在以后的工程应用中具有重要的意义。

采用二阶段充电模式对其充电，控制电路以ＴＭＳ３２芯片为核心，通过检测超级电容的端电压，送入ＤＳＰ进行分析和处理，得到相对应的ＰＷＭ控制信号来控制主回路开关管（ＩＧＢＴ）的开通和关断，从而改变充电电流的大小，实现超级电容的智能充电。

关键词：超级电容；充电电路；ＴＭＳ３２中图分类号：ＴＭ５３ 文献标识码：Ｂ
收稿日期：２０１２－０６－０６；修回日期：２０１２－０６－２
１作者简介：汪亚霖（１９８８－）
，女，贵州水城人，在读硕士研究生，主要研究方向：计算机控制技术。

０　引言
超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，是２０世纪７０年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有充电时间短、使用寿命长、
温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

因此，超级电容是一种高效、环保、实用的能量存储装置，
在绿色环保、混合动力、清洁能源、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和潜力，目前发展十分迅速。

超级电容器的充电过程是非常复杂的电化学过程，其内阻和有效电容受诸多因素的影响，具有很强的时变性和非线性，因此，对其建立精确的数学模型比较困难。

使超级电容快速有效的充电，对于超级电容在实际工程中的应用具有指导意义。

１　常规充电法１．１　恒定电压充电法
在充电过程中，充电电压始终保持不变的方法叫做恒定电压充电法，其优点是可避免充电后期由于充电电流过大造成的极板活性物质脱落及电能的损失，其缺点是由于充电初期充电电流过大，容易使电池极板弯曲，
造成电池报废。

１．２　恒定电流充电法
在充电过程中，充电电流始终保持不变的方法叫做恒定电流充电法，
此方法使电池充电时间缩短。

在允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电时间越短。

但若在充电后期仍保持充电电流大小不变，
将导致电解液析出气泡过多而呈现出沸腾状态，这不但浪费了电能，而且容易使电池温升过高，造成电池存储
容量下降而提前报废。

因此，
此充电方法很少采用［１］。

２　快速充电技术—
——脉冲式充电法脉冲充电法首先采用脉冲电流对电池充电一段时间后让其停充一段时间，如此循环。

此充电方法可使蓄电池的充电接收率得到提高。

脉冲充电法在其停充阶段使电池经化学反应产生的氧气和氢气能重新反应而被吸收掉，从而使欧姆极化和浓差极化自然而然地被消除，
减轻了蓄电池的内压。

脉冲充电法减少了电池的析气量，使其有较充分的反应时间，大大提高了电
池的充电效率［
２］。

图１为脉冲式充电曲线。

图１　脉冲式充电曲线
３　超级电容器模组充电电路设计
结合上述各种方法的优缺点，本文设计采用两阶段充电模式，即首先采用脉冲快速充电方法，以使其消除电池极化，避免了超级电容在充电过程中的温升过高；再采用浮充补足充电法对其进行充电，可使超级电容恢复至完全充电状态，使其达到额定容量。

快速充电部分由Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路构成，它产生所需要的正负脉冲，
形成双向能量流动电路。

电路中包
括一个输入大电容Ｃ、两个ＩＧＢＴ（Ｄ１和Ｄ２）、一个滤波电感Ｌ以及待充电的超级电容。

在Ｄ１和Ｄ２相互的开通周期和关断周期之间设置死区时间，以避免ＩＧＢＴ同时导通，
引起充电回路短路。

本文提出的快速充电系统可实现电源和超级电容模组之间的双向能量传输，
当电源向模组充电时，系统以降压电路工作，模组保持正向充电状态；当模组向电源反馈电量时，系统以升压电路工作，
模组保持反向充电状态。

充电电流的大小通过反馈电压和指令电压比较后，产生基波和调制信号三角波，
两者相比较后产生驱动脉冲来调节开关管的占空比，以改变充电电流的大小。

快速充电系统的开关周期由超级电容、模组正向充电阶段和反向放电阶段组成。

３．１　开关管的选择
主功率开关管可以选择绝缘栅型场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）或者绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）。

ＭＯＳＦＥＴ与ＩＧＢＴ都是电压控制器件，其中ＭＯＳＦＥＴ具有输入阻抗高、
功率损耗低等特点，在大规模集成电路中得到广泛应用。

而ＩＧＢＴ不但具有ＭＯＳＦＥＴ的快响应、高输入阻抗的特点，同时还具有双极性大功率晶体管（ＢＪＴ）的低通态压降和高电流密度，而且ＩＧＢＴ的电流、电压容量比ＭＯＳＦＥＴ高得多。

在电流和电压定额的情况下，ＩＧＢＴ比大功率晶体管（ＧＴＲ）和ＭＯＳＦＥＴ具有耐脉冲电流冲击的能力，因此，本设计选用ＩＧＢＴ作为主功率开关管。

３．２　滤波电感的设计
输入３８０Ｖ的三相交流电，经整流滤波后进入本电路的输入端，即：
Ｕｉｎ＝
１．２×３８０Ｖ≈４５０Ｖ。

设计输出电压Ｕｏｕｔ的范围为４５０Ｖ～３００Ｖ，设计输出电流最大Ｉｌｏａｄ＝１０Ａ，选取开关管开关频率Ｆｓｗ＝１５ｋＨｚ，则输出电压为３００Ｖ时，
占空比Ｄ为：Ｄ＝Ｕｏｕｔ／Ｕｉｎ＝
３００／４５０＝２／３≈０．６６６　７。

纹波电流一般按负载电流的３０％定义，
即：Ｉｒｉｐｐ
ｌｅ＝ΔＩ＝０．３×Ｉｌｏａｄ＝３Ａ。

对于电感Ｌ有：
Ｕ＝Ｌ·ΔＩ／ｔｏｎ。

其中：ΔＩ为纹波电流；ｔｏｎ为脉冲波高电位的时间。

整理后得：
Ｌ＝（Ｕｉｎ－Ｕｏｕｔ）·（Ｄ／Ｆｓｗ）／Ｉｒｉｐｐ
ｌｅ。

当Ｕｏｕｔ＝
３００Ｖ时：Ｌ＝（４５０－３００）·（０．６６６　７／１５）／３＝２．２２２ｍＨ。

由于负载为超级电容模组，其内阻约为０．３Ω，因此电感值至少应为２．２２２ｍＨ，在此选择３．９ｍＨ／１５Ａ的滤波电感。

３．３　前端电容的选择
快速充电电路的前端电容在充电过程中主要起到稳定电压的作用；
在超级电容模组反向放电过程中令吸收一部分的反馈能量，所以电容越大越好，在这里选用ＰＷＭ整流器的电容取值。

３．４　控制电路
控制电路以ＴＭＳ３２芯片为核心，
通过检测超级电容模组的端电压，送入ＤＳＰ进行分析和处理，得到相对应的ＰＷＭ控制信号来控制主回路开关管
（ＩＧＢＴ）的开通和关断，从而改变充电电流的大小，实现超级电容的智能充电。

４　结束语
超级电容是一种绿色环保的电化学电容器，基于其特殊的优点，超级电容的应用前景十分广阔，研究其充电方法对其工程应用具有非常重要的意义。

随着对超级电容器研究的不断深入，超级电容器的性能将不断提高，应用领域将不断拓宽，市场前景将更加光明。

参考文献：
［１］　吕耀文．
蓄电池充电方法的研究［Ｊ］．内蒙古科技与经济，２００９（２）：９６－
９８．［２］　邓仙玉．
基于ＭＰＰＴ技术的光伏充电控制器研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１１：２６－
２７．Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　
Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｓｕｐｅｒ　ＣａｐａｃｉｔｏｒＷＡＮＧ　Ｙａ－ｌｉｎ，ＷＥＮ　Ｆａｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ　
５５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｇｒｅｅｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄｂｙ　ｉｎｎｅｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　
ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｉｎ　ｉｔｓ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｔｗｏ　ｓｔａｇｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｏｋ　ａ　ＴＭＳ３２ｃｈｉｐ　
ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｄｅｔｅｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　ｔｏａｎａｌｙｚｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｗｉｔｃｈ（ＩＧＢＴ）ｔｕｒｎｉｎｇ　ｏｎ　ｏｒ　ｏｆｆ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ．Ｋｅｙ　
ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ＴＭＳ３２·
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