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超级电容充放电控制器的设计
　　摘要：本文基于超级电容在电动自行车上的应用，根据超级电容的特性设计了充、放电控制电路，给出了设计方案，并推导出元件参数，设计的控制器在电动自行车上试验，取得了良好的效果。 中国论文网 /3/view-6136573.htm　　关键词：超级电容 电动自行车 控制器 　　超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。超级电容器的应用领域很广，在通讯、电子、铁路、航空以及军事等领域起的作用越来越大。当今环境问题越来越受到重视，超级电容器在电动汽车和混合式动力车上的前景广阔，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源。本文将超级电容应用于电动自行车上，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源，以满足电动自行车在启动、加速、爬坡或加载时的高功率要求。 　　1 超级电容充电器的设计 　　超级电容器在使用中，应该要注意以下问题：①超级电容器有固定的极性，在使用前注意确认其极性。②超级电容器需要在标称电压下使用：当工作电压超过标称电压的时侯会导致其电解液的分解，电容器发热，容量也随着下降，内阻增加，寿命将缩短。③超级电容器不能在高频充放电电路中使用，在高频率的充放电电路下，会导致电容器内部发热更多，容量衰减，内阻增加，甚至会导致电容器的性能崩溃。④当多个超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联使用会导致某些单体电容器过压，整体性能会受到影响，甚至会损坏这些电容器。根据以上对超级电容特性的分析，超级电容不能过电压充电，但是可以承受大电流充电，所以本次设计采用了大电流恒压充电。主要过程为由220V/50Hz的交流市电经过变压器变压、桥式整流，电容滤波，然后用L4970大功率稳压芯片稳定输出30V电压，给超级电容进行充电。设计方案框图如图1示。 　　图1 超级电容充电方案图 　　2 超级电容充电电路的设计 　　本设计对30V/50F的超级电容进行充电。若采用5A大电流充电，假设超级电容的开始电压为0，由公式Q=C△U=It，可以计算出充电时间为5分钟。这完全符合充电时间短的要求。基于此本次设计了一个输出电压为36V的恒压充电电源给超级电容充电。图2所示为超级电容充电电路。 　　本次设计整流部分采用桥式整流电路，运用四个二极管的单向导电作用整流。二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通，在正半周D1、D3导通，D2、D4截止；在负半周，D1、D3截止，D2、D4导通。桥式整流电路的优点是输出电压较高，纹波电压小，二极管承受的最大反向电压低。因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。 　　由于充电器要求充电时间短，充电器必须要输出大功率，此处选用的整流二极管其最大正向平均整流电流为10A，最大正向电压1V。它具有反向漏电流低，正向浪涌承受能力较强，导通压降低等优点，满足此处整流的需求。当以最大电流为10A充电时，单个二级管的正向导通压降为1V，则功耗有10W。得到的直流电压V3=0.9V2。 　　滤波电路采用电容式滤波，并联的电容C在电源供给的电压升到时，能把部分能力存储起来；当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，达到平波的作用。滤波部分选用两个3.3mF/50V的电容C1、C2滤波。 　　为了得到稳定的电压输出，选择了L4970大功率稳压芯片进行稳压，L4970是由DMOS开关功率管，混合式COMS等集成电路制成的开关芯片，能够承受最大输出10A电流；开关频率高，可达400kHz，此处选择200kHz，电源效率高，减小了滤波电容的体积；输入输出压差低，约为1.1V，使其自身的耗能低，效率可以达到95%；输入电压范围为15V-50V；输出电压可在5.1V-40V范围内调动；有软启动、限流保护、过热保护、欠压锁定、PWM锁定和掉电复位等电路组成。芯片的工作过程为：首先把输出电压V0或经R1、R2和W组成的取样电路的反馈电压Vf和5.1V的基准电压比较，产生的误差电压和Vr、VJ比较获得PWM信号，信号经过非门驱动DMOS功率管，外接L、VD和C构成降压电路，得到稳定输出电压。1脚和2脚接锯齿波振荡器外部定时电阻R4和电容C9，频率此处取200kHz，工作效率可以达94%。接3脚的R1和R2构成分压器，用以设定复位阀值电压VIL为11V，当VIL不大于11V时，输出V0=0，复位输出=0。4脚LED亮着表示正常输出。5脚C6为复位延迟电容。6脚C10为自举电容，用于升功率驱动级电压，使功率管获大电流输出。7脚C11和R5构成吸收网络，限制储能电感L当功率开关管关断瞬间产生的尖峰电压，VD为续流的作用。8脚为通用接地端。9脚为稳压输入端。10脚R3和C8构成误差放大器的频率补偿网络，C7用于高频补偿。11脚为反馈的调节输入端。12脚C5为软启动电容。13脚同步输入端，用于多片同时使用。14脚C4和15脚的C3为芯片内部+5.1V和+12V基准电压的滤波电容。 　　L4970A工作在200kHz的频率下，它的工作效率为94%。此时定时电阻R4取16kΩ，定时电容C9取220pF。开关频率和自举电容C10的对应关系为200kHz，0.22 uF。储能电感L一般取值40uH-150uH，设计中选取120uH。当输出电压取30V即大于22V，频率取为200kHz时，效率可以达到94%。想要得到30V的输出电压，电阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，计算得出电阻W的取值为2.9kΩ。 　　充电器从市电220V/50Hz交流输入，通过变压器后得到36V的交流电。查L4970A芯片资料可知其在温度小于120℃的时候最大功耗Pu=30W，给超级电容以5A/30V充电的功率Po=150W，10A10整流二极管导通导通时压降为1V，电流为5A，所以其两个二极管导通时的管耗为Pb=10W。L4970A的效率为94%，超级电容充电效率90%，综合效率约为85%。由公式 　　计算得出变压器容量Sc=224VA。由此可以选取容量为0.25kVA的变压器作为本设计的变压器。 　　3 超级电容放电控制电路的设计 　　本设计主要采用集成电路LM339构成的超级电容的放电控制电路，LM339由四个电压比较器组成，由于其两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，选用LM339在此处做信号检测能够达到比较理想的效果。LM339由四个电压比较器组成了电动自行车控制电路的调速电路，过流保护电路、欠压保护电路和刹车电路。 　　4 超级电容的放电实验 　　本次试验采用的是30V/50F的超级电容，通过在实验室的试验，超级电容的满充电压为30V，充电时间大概8分钟。试验的电动自行车电机的额定电压为30V。超级电容器的容量为50F，为了增加超级电容的容量，我们采用了两个30V超级电容并联放电，但是结果并不理想，只能跑1000m左右。后来又加了两个30V/60F的超级电容，容量变大了，车程也相应的增加到3km左右。 　　参考文献： 　　[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430单片机的电动自行车充电器设计[J].电气技术与自动化，）：153-155. 　　[2]刘龙江，白志峰，曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用，）：7-9. 　　[3]赵坤，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，）：124-129. 　　基金项目： 　　本文得到地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号）资助；嘉兴学院2013年度校级一般SRT计划项目（超级电容器充放电控制器的设计）资助。
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超级电容充电放电，充电五分钟，工作两小时!
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【关注】从超级电容说起！充电7秒续航35公里 这事靠谱吗？(2)
&&来源:&&&& 14:01:00&&我要投稿&&
超级电容器的基本结构包括两个高比表面积多孔性电极、多孔性隔膜材料以及吸附其中的电解液。隔膜一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜，要求具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导。在每个电极的另一面紧贴有集电极以减少电容器的阻抗损耗。超级电容器结构超级电容器的优点正是因为超级电容器独特的结构和工作原理使其拥有三大优点：一是有非常高的功率密度。功率密度可为电池的10&100倍，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适用于短时间高功率输出的场合，比如电磁炮。二是充电速度快。超级电容器可采用大电流充电，能十秒至几分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。三是循环寿命长，一般情况下循环充放电次数高达10万次以上。另外，超级电容器与蓄电池并联可应用于各种内燃发动机的电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池容量不足的情况下，确保可靠启动。锂电池和超级电容器的区别电容器本质上存储的是电荷，在放电的时形成电流。而锂电池的储能物质是锂离子，是在充电的时候将电能转化为化学能，在放电的时候将化学能转化为电能。虽然锂电池在能量密度上远强于超级电容器，但在功率密度、充放电速度、循环寿命等方面逊色于超级电容器。另外，某些锂电池在安全性上也存在一定隐患，比如日本松下的钴酸锂电池。
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近日，南方监管局发布《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则(试行)》，本细则适用于南方区域地市级及以上电力调度机构直接调度的并与电力调度机构签订并网调度协议的容量为2MW/0.5小时及以上的储能电站。储能电站根据电力调度机构指令进入充电状态的，按其提供充电调峰
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请教关于超级电容充放电的问题
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电路的工作原理是：小的太阳能电池给超级电容充电，中间串联一个二极管，避免当阴天的时候电流反向，然后超级电容再接一个电源稳压电路，超级电容是3.3V，0.33F。
现遇问题如下：稳压电路的工作电压2V，如果当先给超级电容充电到电压超过2.2V，再接上负载，则可以一边太阳能充电，一边带负载，稳压电路输出5V；但是如果一边充电一边放电，超级电容的电压则会在1.9V左右就升不上去了，感觉就是不能超了稳压电路的启动电压。
不知描述是否明白，请高手指教，谢谢~
满意回复+2
1 除了换低电压启动的 升压 IC
2 增大 太阳能板面积
一般的超级电容是设计来做数据保持的，内阻有几十欧左右，你的5V负载启动电流太大，所以电压掉得厉害，要注意，升压电路输入电压越小，需要的电流越大。建议：1 ...
换个带滞后功能的
1、所以说内阻有几十欧；手册的数值是指不接负载的情况下，如果接了负载，启动时的电流实测才知道;
2、其实超级电容这么用很多余，用普通电容就可以解决瞬间启 ...
手册里面的启动电流是在电压足够的状态下的,电压不足的状态下电流可能会不一样.也有可能是刚开始启动状态就把你的电放掉了,所以我喊你测1.9V左右时的电路电流, ...
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检查负载在1.9V左右的电流.
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检查负载在1.9V左右的电流.
电流只有几个ma&&但是我升压电路不怎么耗电的&&后来我在超级电容后面接了npn+pnp来当开关&&想说设定一个开关电压 但是电压也是升不上来 总是比导通电压低一点
本帖最后由 jjjyufan 于
10:52 编辑
1 除了换低电压启动的 升压 IC
2 增大 太阳能板面积
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1 除了换低电压启动的 升压 IC
2 增大 太阳能板面积
后来换成了0.8启动的IC也不行，超级电容那边充到0.76那样就不充了，导致后面的升压电路不工作，如果把升压电路断开，先给超级电容充到1V左右的话，再接上IC模块，就能正常工作了，但是一旦超级电容的电压掉下来了，就又到0.76左右截止了。。。。。。。。。&&然后由于想尽量缩小体积，所以太阳能电池板面积不能再大了，求帮忙
自己测试下 IC的 启动电流 负载电流具体多少？升压效率是多少？升压输入电流是多少？
把你的图发来看看？
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自己测试下 IC的 启动电流 负载电流具体多少？升压效率是多少？升压输入电流是多少？
把你的图发来看看？ ...
我IC用的是PT1301，这边电流目前还不好测，手头没东西，电路的话就是太阳能电池——二极管——超级电容——PT1301&&然后想输出3.3V&&给电池充电& &
一般的超级电容是设计来做数据保持的，内阻有几十欧左右，你的5V负载启动电流太大，所以电压掉得厉害，要注意，升压电路输入电压越小，需要的电流越大。建议：1、在超级电容上并个几百uF的普通电解电容降低“等效内阻”；2、给5V负载加限流措施限制输出功率；3、加大太阳能板输出功率；
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电流只有几个ma&&但是我升压电路不怎么耗电的&&后来我在超级电容后面接了npn+pnp来当开关&&想说设定一个 ...
我的意思是:是不是你这IC的起动电流有点高,太阳能电池的电流不够.
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一般的超级电容是设计来做数据保持的，内阻有几十欧左右，你的5V负载启动电流太大，所以电压掉得厉害，要注 ...
谢谢您的建议！不过我还有几个问题想问一下，麻烦帮我讲讲哈~
1，我之前测过超级电容的短路电流，最开始用的超级电容是5.5V 1F 的，在电压充到1V左右的时候，短路电流可以达到几十ma，我的pt1301的启动电流我看了数据手册，好像也没有多大，所以就觉得应该可以启动的。
2，对于您的第二点建议，我升压模块的负载是想给3.7V 的电池充电，那我要限流的话 用电阻可以么？
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我的意思是:是不是你这IC的起动电流有点高,太阳能电池的电流不够.
太阳能的是不够，直接带IC的话 带不起来，我是用超级电容供电的，IC的启动电流的话我看数据手册，没看出来要多大，嘿嘿，不好意思，我貌似懂得不多
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当电压低于1.9V时，直接关闭升压。等电压回升后再启动。
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当电压低于1.9V时，直接关闭升压。等电压回升后再启动。
我就是这边也遇到问题了，本来想加个npn和pnp做个开关来着，设定个1.4V的开关电压，但是发现不到1.4就不充电了，所以一直达不到三极管的导通压降， 请问您说的是要怎么做这个开关？
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大概这样子。
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换个带滞后功能的
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谢谢您的建议！不过我还有几个问题想问一下，麻烦帮我讲讲哈~
1，我之前测过超级电容的短路电流，最开始 ...
1、所以说内阻有几十欧；手册的数值是指不接负载的情况下，如果接了负载，启动时的电流实测才知道;
2、其实超级电容这么用很多余，用普通电容就可以解决瞬间启动电流不足的问题，如果还是稳不住5V电压，那就证明不是什么瞬间电流不够，而是太阳能板输出功率不够大，因为升压转换效率的原因，升压电路输入功率必须大于负载需要的输出功率。串电阻可以降低负载消耗的功率，降低对太阳能板功率的要求。
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这个带滞后的压控开关，学习了 搭一搭试试。
你这应该仅仅只是因为太阳能板供不起升压后的功耗，不然你认为你的电流只有1ma&&那你就在你超级电容上并接个 2.2v/1ma&&2.2K的电阻 大概试试&&看看你电容上的电压时怎么样的变化趋势，调一调电阻再试试有事怎么样的趋势。
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太阳能的是不够，直接带IC的话 带不起来，我是用超级电容供电的，IC的启动电流的话我看数据手册，没看出 ...
手册里面的启动电流是在电压足够的状态下的,电压不足的状态下电流可能会不一样.也有可能是刚开始启动状态就把你的电放掉了,所以我喊你测1.9V左右时的电路电流,这个状态下电路可能没达到启动状态就把你的电吃掉了,厂家不会给你这个数据,因为芯片不正常工作.
你测电容的电流是短路电流,与接了负载时电流不一样.
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谢谢，我搭一下试试
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