一种新型超级电容模组充电电源设计

丽水学院大学生创新实践空间、江苏国网自控科技股份有限公司的研究人员王野、姜万东、叶佳虹、任洪铮、迟玉国，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文，设计实现了一种新型超级电容模组充电电源及其控制方法。

其功能：1）针对目前各种超级电容模组对充电电压，充电电流的不同需求问题，采用先恒流后恒压的方式对超级电容模组进行充电，且充电电流和充电电压可调节；2）该充电电源及其控制方法可以提供对超级电容的热保护，在充电过程中通过温度传感器监测超级电容模组的绝对温度和温升情况，如果超级电容模组的绝对温度过高或温升过高，则会自动关断充电过程。

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 [1]。

文献[2-3]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。文献[4]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。文献[5-7]指出利用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。文献[8-10]介绍了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最高电压Umax，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：第一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框架图如图1所示，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。

图1 超级电容模组充电电源内部/外部原理图

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。

2  超级电容模组充电电源软件功能实现

图2 软件功能实现主逻辑框图

本设计的软件功能的实现如图2所示，分为四大部分：1）数据读取与参数设定转换逻辑；2）超级电容温度与温升-电流控制逻辑；3）电容充电控制与过载保护；4）状态指示控制逻辑。

图3 温度与温升-电流控制辑框图

为完成充电时对超级电容的保护，如图3所示，本设计通过读取到的超级电容温度Tc和环境温度Th计算出超级电容的温升Tws，如果超级电容温升Tws已经超过了超级电容极限工作温升Tmaxw，则停止对超级电容充电，直接设置TempHFlag为1。如果超级电容的绝对温度Tc超过了超级电容最大工作温度，则也停止对超级电容充电，设置TempHFlag为1。

如果温升Tws和绝对温度Tc都在安全范围内，通过Tws读取到内置到MCU的超级电容温升-电流曲线，读取出对应的可充电电流Itws。如果设置的充电限制电流Icset大于温升-电流值Itws，则将Icset设置为Itws进行充电，防止了充电电流过大导致超级电容寿命损伤。

图4 电容充电与过载保护辑框图

如图4所示，本设计首先判断TEMPFlag是否为1，当TEMPFlag为1表明温度传感器的数据已经读取完毕。其次判断TempHFlag是否为1，如果TempHFlag为1表明超级电容的绝对温度或者温升都已经超过了超级电容的工作极限，此时不能对其进行充电。

然后判断充电控制电路是否过载，其过载的判断主要是依据温度传感器t1测量的温度Tk，如果Tk大于内置的设定值Tkset，表明充电控制电路存在过热，继续充电将会导致充电回路损坏,此时将过载标志OverFlag置1，表明充电控制回路过载，停止充电。

上述的几个条件都没有问题后，逻辑再次判断设置参数是否读取，参数读取标志正常，则会依照Icset来控制PWM2输出一个电压来和充电回路的电流相比较，比较过程由图1的（c）部分电压比较器A2完成。

依照Ucset来控制PWM1输出一个电压来和充电回路的电压相比较，比较过程由图1的（c）部分电压比较器A1完成.两者设置完毕，则图1的（c）部分自动完成充电的限流限压充电过程，同时将充电标志ChargeFlag置1，表明此时正在对超级电容组充电。

禁止充电时通过控制T_ctl直接关断图1的（c）部分的与门控制信号，使开关管Q停止工作，清充电标志ChargeFlag为0。

3  超级电容模组充电电源设计技术指标

超级电容模组充电电源设计技术指标及与现有充电电源方案的比较，具体表1-2所示：

表1. 超级电容模组的充电电源技术目标参数

表2. 超级电容模组充电电源设计与现有技术方案的比较

4  超级电容模组充电电源的优越性

超级电容模组充电电源设计的优越性，具体如下：

1）充电电压和充电电流可调节，可适用于不同容量和电压要求的超级电容组，可调节的充电电流适应于对不同超级电容组充电时间不同需求的场合。

2）充分考虑充电电路可能过载的情况，提供过热自我保护，避免充电电流过大或频繁充电导致充电回路过载损坏。

3）充电过程兼顾超级电容的温度特性，采用超级电容温升-电流曲线进行限制充电，同时监视超级电容温升过高和绝对温度过高并停止充电，避免继续充电导致温度极限升高造成超级电容寿命快速减小或发生爆炸。

5  结论

本设计的实现可调节恒流充电和恒压充电电路、实现恒流与恒压自动转换功能及实现电容模组的系统保护功能，解决了目前市场上的超级电容模组充电电源一般充电电压设计为固定方式，不可调节的问题。

同时，由于不同的超级电容模组的容量不同，厂家技术参数不同，对充电电流的耐受值也不同。因此，本设计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。

针对目前现有超级电容充电电源无法对充电时对超级电容的发热进行及时?的保护，造成充电时由于环境温度过高，或者充电电流过大而造成电容器温度过高，引起超级电容损坏等问题，本设计支持对超级电容模组进行温度采集，实现系统的保护。

该新型超级电容模组充电电源控制系统已申请国家发明专利201611061202.2和201611060872.2。