超级电容具有功率密度高，充放电时刻端，循环寿数长，作业温度规模宽等明显的长处，适宜运用在大功率能量活动的场合。超级电容容值一般到达几千法拉，可是可耐受的电压低，在实际运用时有必要很多串联运用[1]。一起，超级电容自漏电速率大大超越锂电池等传统的化学储能元件，无法长期保存能量，这要求超级电容在初度运用，或许长期静置再次投入电气设备运用之前需求进行快速的初充电，使超级电容内部坚持必定的能量[2]。
超级电容快速初充电与电池充电技能有很大的不同，电池制作完成后，内部存储有必定的化学能，电 池端压跟着电池内部能量的贮存和开释只在较窄的规模内改变[3]。而超级电容的储能办法为电场储能，能量以电荷的方式存储的电容器内部，因而在充电前期存在短路状况，且会存在长时刻挨近短路充电状况。针对这种长时刻的短路充电状况，有必要要对充电电流进行约束，不然会引起短时刻大电流冲击，对充电电路形成不行康复的损坏。一起，超级电容内部等效串联电阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)形成的发热问题约束了超级电容的充放电电流，大电流冲击也会对超级电容功能形成影响。充电电流的纹波也是形成超级电容发热的原因之一，因而，超级电容快速充电技能要求对充电电流的纹波进行约束，减小超级电容的发热，一起能够削减损耗，进步功率[4]。超级电容组的容值从几十法拉到几百法拉之间，将适宜的能量在必定的时刻内存储在超级电容组内，超级电容快速充电需求坚持根本不变的充电电流，使整个充电进程中超级电容电压上升速度比较均匀[5][6]。
本文研讨了一种依据反激改换器的快速充电电路
[1]，对该电路作业原理、规划进程进行了具体的剖析，规划了实验电路，对电路原理和功能进行了实验验证。
2 快充电路作业原理
图 1 为依据反激改换器的超级电容快速充电电路拓扑及操控框图。包含输入整流桥，反激变压器，串联在原边的开关器材，副边续流二极管，电流传感器，副边阻隔电压检测及操控 PWM 信号发生电路。与传统的反激电路比较，该超级电容快速充电电路去除了输入端滤波电解电容，添加了电路的可靠性;将电流检测电阻改为磁耦合检测，下降损耗，而且能够一起检测变压器原边和副边电流，用以约束副边充电电流;副边电压阻隔检测，用以操控超级电容充电到电压。主电路作业原理根本上与反激电路原理相似，可是操控电路结合超级电容初充电特性进行了规划，以满意超级电容初度充电时长时刻短路限流充电的要求。
图 2 中 A 为电流检测(Current Sensor)波形。用与变压器相同的份额检测原边电流和变压器副边电流，因为变压器原副边与匝比成反比，检测电流成为接连的电流波形。电压比较器(Voltage Comparator)，将检测电流值与限幅值 Limit1 比较，当原边电流值>=限幅值 Limit1 时，发生信号 B，以发生驱动信号关断功率管。功率管关断，原边电流耦合至变压器副边绕组，副边等效电路如图 3 所示。副边电感 L2将能量开释至超级电容中，当副边电流下降至某一电流值，电流检测(Current Sensor)输出值下降至限幅值 Limit2时，发生信号 C，以发生注册驱动信号，功率管注册，副边二极管阻断，输入电压 Vin加在原边电感两头，电感电流上升，当电流值再次上升至限幅值 Limit1 时，关断功率管，依此逻辑进行操控。副边超级电容在功率管关断时进行充电。在充电开端阶段，超级电容电压很低，变压器副边电流下降缓慢，开关频率很低(一般低至数百赫兹)，如图 2 第一阶段所示。跟着超级电容电容电压的上升，副边电流下降速度加速，开关频率添加，如图 2 第二阶段所示。当超级电容电压添加至充电截止电压时，此刻开关频率最高(一般规划为初始频率的 10~20 倍)。经过限幅值的规划，能够对作业频率规模进行调整。与传统的反激电路不同，该电路不需求频率发生器，整个充电进程中，作业频率主动调整。
因为超级电容电压的升高，快速充电电路作业频率添加，添加速率近似为线性改变。输出电流平均值跟着超级电容电压升高及作业频率的添加会有所下降，可是经过合理的规划能够使输出电流 %&&&&&%改变规模操控在 5%以内，能够看作为近似的恒流充电。依据超级电容充电特性
也能够看作为线性添加。整个超级电容快速充电进程为滑润改变的曲线。一般超级电容组模块电压为 24V 或许 48V，容值为 30F~165F。因而规划超级电容快速充电电路，规划目标能够依照 48V，165F超级电容组为目标进行规划。
2.2 操控电路作业原理
操控电路经过一起采样变压器原边电流 IL1和副边电流 IL2，将采样电流与上限幅值 Limit1 与下限幅值Limit2 比较，经过操控开关管的注册和关断，将电流操控在上下限幅之间。图 4 为输入电压波形与电流采样波形图。
素进步，当 Limit2=0V 时，能够到达输入电流最高功率要素。
3.快速充电电路规划
超级电容快速充电部分分为操控电路逻辑规划和主功率部分参数规划。依照上一节所述操控电路逻辑操控部分因为没有现成的操控芯片能够选用，因而选用别离的通用集成芯片即可完成操控部分的规划。
3.1 操控电路
假如在整流输出侧接入电解电容，能够得到安稳的直流输入电压。因为铝电解电容或许存在失效问题，以及寿数约束，使电路安稳性及作业寿数遭到必定的影响，因而在快速充电电路中防止运用输入铝电解电容。将经过整流之后的脉动直流电压，作为上限幅值Limit1 的参照，使输入电流跟从输入电压的动摇调整，能够进步输入功率因数。若将下限幅值 Limit2 设置为0，可使功率因数得到进一步的进步，但会添加输出电流纹波量。
操控电路原理图如图 5 所示。操控电路由运算放大器 LM358、比较器 LM393 和 RS 触发芯片 CD4043等构成。选用与变压器相同匝比的互感器进行电流检测，互感器的同名端与反激变压器共同。电流检测信号经过 LM358 调度后与电流限幅值 Limit1 与 Limit2进行比较。二个比较器的输出经过触发器 RS4043 锁存后作为 MOSFET 管驱动信号。输出侧电压检测作为充电停止信号，操控 CD4043 使能端。
规划目标:
充电目标：165F 48V 超级电容组
快充要求：
充电时刻 <20min
输入电压 220Vac
输出电压 0~24V
功率等级 <250W
电流纹波 <50%
3.2 功率电路
依据上述剖析能够概括出超级电容快速充电器的规划过程为：首要依据超级电容所需求充电的能量，以及充电时刻，预估快速充电电路功率等级 Po;依据超级电容对充电纹波电流的约束，核算出开关管作业频率 fsw及开关管注册时刻 ton，一起确认检测份额 ki、kv和限幅 Limit2 电压值 Vref;由检测份额 kv、ki与 ton，核算变压器原边电感量 L1;依据超级电容终究充电截止电压，结合功率 MOSFET 管耐压，合理地确认变压器变比 N;依据以上确认的参数循环迭代核算快充充电时刻，并校核快充的作业频率及作业功率。假如频率与功率规划不合理，需求从头循环核算。经过运用数学核算东西 MathCAD 编程可进行循环数值核算，能够核算出在充电整个进程中开关频率的改变。
4.实验验证
为了验证该电路作业情况和规划办法的正确性，依据规划成果搭建了实验渠道，对电路原理进行了验证。在 220Vac 输入下为 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超级电容组进行充电，图 7 为开关管 DS 端电压和电流检测波形。
由图 7 能够看出，检测变压器原副边电流作为开关管注册和关断信号，可完成恒流充电的要求，一起限幅值 Limit1 跟从电网电压改变，能够进步功率因数。图 8 为限幅值 Limit1 跟从电网电压改变，电流互感器输出的包络线与电网正弦波共同。
5.定论
超级电容在初期运用或许长期静置后，本身存储能量为 0。在将超级电容投入电气设备中运用前，需求对超级电容进行快速充电。本文介绍的超级电容快速充电电路能够习惯超级%&&&&&%初充电时存在的长时刻短路要求，而且该电路具有恒流充电、操控简略、输入功率因数高、低成本等长处。
参考文献
[1] Maxwell Technologies,Inc.，“Switching Power Supply”[p] United Stated Patent：US 6,912,136, B2 ， Jun.2，2005
[2] Dellalay,S.;Barrade,P.;Rufer,A..“Design Considerationsfor the fast Charge of supercapaciors in the frame of lowvoltage applications. ” [C],In:Power Electronics andApplications(EPE2011),Proceedingof2011-14thEuropean Conference on 12 December 2011:1-5
[3] Monteiro,J.; Garrido,N.; Fonseca,R. “An experimentalstudy of an efficient supercapacitor stacking scheme topower mobile phones.”[C] In: TelecommunicationsEnergyConference(INTELEC),2011IEEE33rdInternational,12 December 2011:1-5
[4] Barrade,P.; “Energy storage and applications withsupercapacitors”, Associazione Nazionale AzionamentiElettrici, 14o Seminario Interattivo, Azionamenti elettrici :Evoluzione Tecnologica eProblematiche Emergenti,2003.
[5] Deg Freige,M.; Ross,M.; Joos,G.;Dubois,M.; “Power &energy ratings optimization in a fast-charging station forPHEV batteries”,In: Electric Machines & DrivesConference (IEMDC), 2011 IEEE International,15-18May 2011:486-489.
[6] Bouscayrol,A.; Lhomme,W.; Demian,C.; Allè;gre,A.L.;Chattot,E.; El Fassi,S. “Experimental set-up to test thepower transfer of an innovative subway usingsupercapacitors”[C],In:Vehicle Power and PropulsionConference (VPPC), 2010 IEEE,10 March 2011:1-6
作者介绍：
王成 (1988-)，男，硕士研讨生，首要研讨方向，功率电 子 变 换 技 术 和 超 级 电 容 储 能 系 统 ，wii1225520@gmail.com;谢少军(1968-)，男，教授，博士生导师，首要研讨方向为功率电子改换技能和可继续动力发电技能;丁予(1990-)男，硕士研讨生，首要研讨方向，功率电子改换技能 DVR 技能。
