（电机与电器专业论文）超级电容器恒流测试电源.pdf

超级电容器匿流测试电源 c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eo ft e s t i n gs u p e r c a p a c i t o r a b s t r a c t s u p e r c a p a c i t o ri san o v e le n e r g ys t d r a g ec o m p o n e mb e t w e e nb a t t e r i e sa n de l e c 订o s t a t i c c a p a c i t o r s i ti m e g r a t e st h ea d v a n t a g e s ，s u c ha st h eh i 曲p o w e rd e n s 时c h a r a c t e r i z e db y c o n v e n t i o n a le l e c t r o s t a t i cc a p a c i t o r ，t h ee n e r g yd n s i t yc h a r a c t o r i z e db yb a t t e r y ，m ef a s t c h a r g e - d i s c h a r g ep e r f o n n a i l c e ，n op o l l u t i o na i l dt h e1 0 n gl i f e ，t h u sm ec o m p o n e mi se x p e c t e d t ob ean o v e lg r e e np o w e rs o l l r c e t h i st 1 1 e s i si st od e s i g l las u p e r c a p a c i t o rc h a r g e r - d i s c h a r g e rw l i c hi sc o m p o s e do fm a i n c i r c u i t l a ti sb a s e do nm eb u c kc o n v e n o ra 1 1 dc o m m lc 讹u i tt h a ti sb a s e do nt h ec h i p 8 9 c 51 t h i ss y s t e mj s 鼬矗l l e d 恤o u 出m o n i t 嘶n gs u p e r c a p a c h o rv o l t a g e ，c u r r e n ta n d t e m p e r a m r e ，w h i c hw e r c 锄丑j y s e db ym ec h i p8 9 c 51 t oc o n 仃0 ld co u 印u to ft h eb u c k c i r c l l i t ，s e l e c t i n g 也ep m p e rp w mp u l s ef o rd r i v i n gt h eg a t eo fm o s f e t d i f f e r e n td co u t p u t a p p l i e st od i 圩c r e mc h a r g ec u r r e 王1 t p o w e rm o s f e ts w i t c h e sa r es u p p l i e db y 廿l ep u l s c s 矗d m t h ec l l i pt l 4 9 4 t h ep u l s ed u t y c y c l ei sc o n 仃0 1 1 e db y8 9 c 5 1a n dd a c 0 8 3 2 1 h ss y s t e mu s e s 出ed i f f e r e m s t e pc u r r e n t 、v i mi n t e l l i g e n t 如z z y c o 玎怕1a l g o r i 山mt oc h a r g es u p e r c a p a c i t o r t h i sm 劬o dc a l lc h o o s et h ep r o p e rc h a r g ec u r r e n ta c c o r d i n gw i 恤t h es t a t eo fs u p e r c 印a c i t o r t og u a r a i l t e e 也es u p 盯c a p a c i t o rs a f e l y ， t h es y s t 哪a d o p t sc o n s t a n tc u r r e n tc h a r g e - d i s c h a r g em e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e m o n t c u n r e ss h o w1 i n e a r i t y a c c o r d i n gt oe x p e r i m e h t a lr e s u l t s ，t l l ec h a r g e rc a np r o v j d ed i f f e r e n t c o n d i t i o no fs u p e r c a p a c i t o rc u r r e n tt oe s c 印em g hc u r r e mc h a r g i n gt od a m a g es u p e r c a p a c i t o r t 1 1 r o u 曲m z 纠一c o n t r 0 1 s e v e r a lp r o b l 锄sa b d u ta n t 巧a m m i n go ne i e c 廿o m a g n c t i cc o m p 撕b i l i t yi nt h ed e s i g no f m eh a r d w a r ec i r c u i ta i l ds o r w a r eo fm ec h a r g e d i s c h a r g ee 州p m e n ta r ed i s c u s s e d i tc a n p r e v e n te r r o r sf 如mj a m m i n ga n dc a ni m p r o v e 也es e c u r i t ya n ds t a b i l t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g e ：s u p e r c a p a c i t o r ；b u c k ；p i m if u z z y c o n t r o 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 t 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理：c 大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阋，本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 华通一 i ：= ! 年蔓月主二日 社 大连理二r 。大学硕l 学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 111 超级电容器基本概念和特点 超级电容器( s u p e r c a p a c i t o ro ru l | d c 印a c i t o r ) 是指采用高比表面积碳材料或r u 0 2 等 贵金属氧化物作电极，容量为传统电容器的2 0 2 0 0 倍的电化学电容器。它是一种基于 电极，溶液界面的电化学过程的储能元件。它具有比常规电容器更大的比能量，比蓄电池 更大的比功率和循环使用寿命。通常，静电电容器储能密度较小，但可以存极短的时间 内输出能量，具有很高的功率密度，主要应用于电子线路中，有的可用作存储设备的后 备电源和信号发射源。化学电源( 包括电池) 能够将电能转化为化学能储存起来，具有 很高的能量密度，也具有广泛的应用，航天飞机、汽车、舰艇都可以用化学电源储存能 量。但是电池的放电功率有限，用于高功率输出电池需要经过专门的设计。超级电容器 综合了电容器和电池的长处。但由于其放电特性与静电电容器更为接近，所以仍然称之 为“电容| l _ 5 。 目前超级电容器的分类方法并未完全统一，从事超级电容器研究的权威人士be c o n w a y 曾将这种介于电池和静电电容器之间的装置称为电化学超级电容器，一类是基于 高比表面碳材料与溶液间界面双电层原理的双电层电容器，另一类是基于二二维或准二维 材料表面的欠电位沉积或氧化还原过程的法拉第准电容器。这是一种较为合理的分类方 法，实际上对于双电层电容器而言，其电极材料也并非局限于碳材料，而且或多或少的 会有电化学反应：二维、准二维材料也有很大一部分双电层容量，二者界限并不是非常 清晰。现在超级电容器这个名称更广为采用。 超级电容器是介于传统电容器和化学电源之间的一种新型储能元件，它具有许多传 统电池不具备的优点： ( 1 ) 具有非常高的功率密度。电容器的功率密度可为电池的l o 1 0 0 倍，可以达到 1 0 k w l ( g 左右，能够在短时间内放出几百到儿千安培的电流。这个特点使得电容器更适 合用于短时问高功率输出的场合。 ( 2 ) 充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快 速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程， 是真正意义上的快速充电，而普通蓄电池充电需要数小时完成，即使采用快速充电也需 儿十分钟。 超级电容器匾流测试电源 ( 3 ) 使用寿命长。超级电容器充放电过程中的电化学反应具有很好的可逆性，才i 出 现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止的现象， 碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达l o o ，o o o 次以上，比电池高出1 0 1 0 0 倍。 ( 4 ) 使用温度范围广，低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大 部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减j e 常小。其工作温度为- 4 0 ，8 5 ， 而二次电池仅为o 4 0 。 ( 5 ) 漏电电流小，具有电压记忆功能，内阻小，抗过充过放和短路性能好。 ( 6 ) 对环境无污染，尤其碳基超级电容器，成本低廉，可作为真正的绿色能源。 超级电容器的用途根据其放电量、放电时间以及电容量大小，主要用作后备、替代 和主电源三类。由于超级电容器具有低价格和高容量的特点，将会激发一个巨大的新市 场。例如，在电动车，混用动力车以及燃料电池车的应用中，可作为一个具有高功率、 短时间存储能量的装置，并且可回收刹车时得到的能量使之再次用在车辆的加速和支持 加速中。使主电源( 电池、内部燃烧发动机，燃料电池等) 的体积缩减，并在优化的状态 下运行。此外，医院、仓库或工厂的搬运车、飞机场的公共汽车、轮椅、小孩及娱乐微 型车等也为电动车提供了用武之地。在现代通讯领域，电池和超级电容器的混用可大大 提高功率输出和延长电池寿命。 些工业过程( 如半导体、化学、制药、造纸、纺织工业) 对电源的短暂中止和混 乱非常敏感，并且会引起昂贵的生产损失。从几秒到几分钟的u p s ( 不间断能量系统) 装置可以保护这些敏感负载。超级电容器对于这些应用能提供更好的比能量和比功率， 并且缩减这类系统的大小和成本，使得它们更加可靠。 军事和空间应用中都使用各种各样的传动器，如潜艇系统中的排水控制、海军航行 器的发射、坦克和卡车在很冷或很热情况下的启动、运载火箭上强行引导控制传动器、 雷管、脉冲激光等等以及燃料电池的动力响应也都可以用超级电容器来激发。如果仅仅 需要部分燃料电池的能量( 如晚上) ，那么超级电容器就能提供基本负载，燃料电池其 它的辅助系统( 泵、压缩机) 就可关闭，这将提高效率。 超级电容器还可与电池或传统电容器组合成多动力系统，电池提供基本的负载电力 或在低功率下给超级电容器充电，这种组合系统应能与仅有电池的系统相抗衡。同样， 如果所需的能量仅仅在很短的时间，那么传统电容嚣与超级电容器也可以组合。在这种 情况下，由电介质电容器释放峰功率净。 大连理工大学硕上学位论文 112 超级电容器的工作原理及其性能测试方法 超级电容器的工作原理可分为双电层电容和氧化还原准电容。超级电容器存储能量 的多少一般表现为电容量的大小。超级电容器较高比容量主要是这两种l 类型之一或是两 者的结合( 一般来说，双电层电容和氧化还原准电容是同时存在的，只不过以谁为主而 己) 。双电层电容来自于电解液的阴阳离子分离，分别积聚在两个固一液界面形成的电 化学双电层( h e l 劬o l t z 层) 。具体的表现形式是：充电时，在固体电极上电荷引力的作用 下，电解液中阴阳离予分别聚集在两个嘲体电极的表面：放电时，阴阳离子离开固体电 极的表面，返回电解液本体。 双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子的大小，准电容产生于快速的法拉第反 应。在超级电容器中，活性物质随着电荷的转移而发生电化学过程，即欠电位沉积或多 孔过渡金属氧化物及各种氧化物的混合物氧化还原反应。法拉第准电容由于不仅在电极 表面，甚至可在整个电极内部产生，因而可获得比双电层电容更高的比容量和比能量。 在相同的电极面积情况下，法拉第准电容比双电层电容高1 0 1 0 0 倍( 按碳材料和金属 氧化物比表面积相同时计算) 。在双电层形成过程或氧化还原反应过程，放电和再充电 行为更接近传统电容器而不是原电池，其现象表现为：( 1 ) 电压与电极上施加或释放的电 荷几乎成线性关系；( 2 ) 电压随时问呈线性变化( d w 折= ) ，产生的电流几乎恒定或几乎 恒定的电容性充电电流，= c d 删f = c 他( c 是整体电容器或电容器单电极材料的比电容， d 毗是放电曲线电压对放电时间微分，是常数，循环伏安扫速) ，此时系统的充放电 过程是动力学高度可逆的。这两个现象与一次、二次电池完全不同，因为一次、二次电 池的电位不随时间呈线性关系，而是在某时间范围发生氧化还原反应出现放电平台， 这时j 二次电池的电位随时间变化很小。从线性扫描行为也可以看出它们的区别，超级电 容器在扫描电位范围内一股呈矩形特征，而电池则会出现氧化还原峰。 超级电容器是利用金属氧化物与活性炭分别作为正负极电极材料的电容器，其工作 机理主要是双电层原理和法拉第准电容原理。双电层电容原理是指由于正负离子在固体 电极与电解液之问的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的 存储。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面 积的增大而增大。准电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内快速 可逆的法拉第反应来实现能量存储。超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这两种 原理产生的。充电时，依靠这两种原理储存电荷，实现能量的积累；放电时，又依靠这 两种原理，实现能量的释放。由于电极材料采用的是具有较大的比表面积、多孑l 的氧化 物，因此被电解液浸润的活性物质的面积非常大，这样就会有相当多的这样的电化学反 应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时金属氧化物发生氧化还原反应使得这些 超级电容器恒流测试电源 进入氧化物中的离予又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出 来。因此，制各高性能的超级电容器有两个途径：一是增大电极材料的比表面积，从而 增大双电层电容量；二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率，从而提高准电容容量。 ( 1 ) 循环伏安测试原理 对于双电层电容器，我们可以用平板电容器模型进行理想等效处理，根据平板电容 容量计算公式为： c ：笪 ( 1 1 ) 4 砌 。 式中：c 一电容，f 占介电常数 s 一电极板正对面积，等效双电层有效面积，n 1 2 d 一电容器两极板之间的距离，等效双电层厚度，m 由式( 1 1 ) 可知，超级电容器的容量与双电层的有效面积成正比，与双电层厚度成反 比，对于活性炭电极，双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双 电层厚度则是受到溶液中离子的影响。因此，电极制备好以后，电解液确定，容量便基 本确定了。利用公式d q = 油和c = q 坳 可锝：f ：掣：c 掣 ( 1 2 ) 口l口f 式中：f 一电流，a 一电量的微分，c 出一时间的微分，8 d 妒一电位的微分，v 如果在电极上加上一个线形变化的电位信号时，得到的电流响应信号将会是一个不 变的量。如果给定的电信号是一个如图1 1 ( a ) 所示的三角波信号，电流信号将会是一个 正电流信号或者一个负电流信号。响应信号如图1 1 ( b ) 所示，响应信号在f 一( p 图中呈一 个矩形。 由式( 1 2 ) 可知，在扫描速度一定的情况下，电极上通过的电流( f ) 是和电极的容量( o 成正比例关系的，也就是说对于一个给定的电极，通过对这个电极在定的扫描速度下 进行循环伏安测试，研究曲线纵坐标上的电流变化，就可以计算出电极的电容。然后按 照电极上活性物质的质量就可以计算出这种电极材料的比电容： c 一赢 m ( d ( 口，d f ) ( 1 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中：m 一电极上活性物质的质量，g ( a ) ( b ) 图1l 循环伏安测试的给定信号图( a ) 与响应信号图( b ) f i g 1 1 t 色s n g0 f c i r c u l a i o nv o l t _ a m p e r e 但是在实际情况中，超级电容器有一定的内阻，它相当于很多个电容和电阻混联而 成的，为了研究问题的方便可将其简化为如图1 2 所示的等效电路，由一个电容c 与一 个等效漏电电阻r 并联后与一个等效串联电阻r 串联构成。因为r 比r 大得多，又与 电容并联，零输入响应( 从电压为零开始加载一个定电压u ) 时可看作断路，此时电路 是r c 一阶回路( 以下推导中用月代表足) ，任一时刻的电压为： m ( f ) = i ( f ) r + “。( 1 - 4 ) 式中：“( f ) 一电容等效电路两端的电压，v r 一感，等效串联电阻，0 h 电容c 两端电压，v 由 u r i 图l2 等效电路图 f i g ，12e q u i v a l e n tc n u i td i a 掣a m 一 塑堡璺查塑：堕鎏塑! 垫皇塑 江等：警掣：c 誓 ( 1 5 ) d lm d t ” 可得 冬：掣 ( 1 6 ) mc ” 因此 味f ) = 去【讹) 出 ( 1 7 ) 代入可知 吣) = 稚) r + 去砸) 出 ( 1 8 ) 对式( 1 ，8 ) 两边求导为 警川肼扣) ( 1 9 ) 又因塑q ：。 d f 可知：= c v ( 卜p ”。) ( 1 1 0 ) 由式( 1 1 0 ) 可知，在电容两端加上线性变化的电压信号时，电路中电流不会像纯电 容那样立刻变化到恒定电流i ，而需要经过一定时间。所以图中循环伏安曲线会出现一 段有一定弧度的曲线，式中的r c 为电容器的过渡时间r 。当r c 较小时曲线在外给信 号改变后很快变化，很快就能达到稳定电流f ，如图1 3 ( b ) 所示；当月c 较大时，曲线在 外给信号改变后要一定的时间才能达到稳定电流l ，因此，曲线偏离矩形就较大，如图 1 3 ( a ) 所示。超级电容器是一种可以大电流输出的元件，这就要求它的内阻要非常小， 以减小内阻的分压，这样的话，r c 就很小，曲线就非常接近矩形。因此可以用循环伏 安曲线的形状定性地研究一种材料的电容性能，如果这种材料适合作为超级电容器电极 材料，就可以利用循环伏安曲线纵坐标上电流的变化情况来研究电极的比电容情况，如 f 式： c ：堡l _( 1 1 】) m x v ( 1 日一丽) 由式( 1 1 1 ) 可以看出，在电容器电容不变的情况下，电流随着扫描速度的增大而增 大，过渡时间却不会随着扫描速度发生变化，所以当比电容为纵坐标单位时，扫描速度 越快曲线偏离矩形就越远。因此可以在较大的扫描速度下研究电极的电容性能，如果在 大连理工大学硕士学位论文 较大的扫描速度下，曲线仍呈现较好的矩形，说明电极的过渡时间小，即电极的内阻小， 适合大电流工作，反之，若电极不适合大电流工作，则这种材料就不能用作超级电容器 的电极材料。 e ，m ve ，m v ( a )( b ) 图1 3 实际循环伏安曲线( a ) r c 较大( b ) r c 较小 f i g ，1 3p r a c t i c a lc i 删1 a t i o nv o l t i a m p e r ec u r v e s f 2 ) 恒电流充放电测试 当在电容器施加三角波电位后，即电位为施加的控制信号，电流为测量的响应信号， 主要是研究电流函数随时间或随电位变化的规律。本节将要讨论的控制电流的电化学响 应则与之相反，电流为施加的控制信号，电位为测量的响应信号。因而主要研究电位函 数随时问或电流变化的规律。 对于超级电容器，根据式( 1 2 ) 可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量c 为恒 电位，那么d 妒，出将会是一个常数，即电位随时问是线性变化的关系，也就是说理想电 容器的恒流充放电曲线是一条直线，如图1 4 ( a ) 所示，这与电池的平台式充放电曲线是 不同的。可以利用恒电流充放电曲线来计算电极活性物质的比容量： c ；二鱼一 ( 1 1 2 ) “ 垅y 式中：f 。一放电时间，s y 一放电电压降低平均值，v 式中的形可以利用放电曲线进行积分计算而得出： 五矿；三一f 2 蹦f ( 1 1 3 ) ( 一f ，) h 一 塑塑皇窒量堕堕塑! 堕鱼塑 实际在计算比容量时，常采用同和f ：时电压的差值来作为平均电压降。对于单电 极比容量式( 1 1 2 ) 中的m 为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，肌则 为两个电极上活性物质的质量总和。 但在实际情况中，由于电容器存在一定的内阻，由电路学的知识可知充放电转换的 瞬问会有一。个电位的突变妒，可以利用这一突变计算电容器的等效串联电阻f e 讯1 ： r = a 妒，2 l ( 1 1 4 ) 式中：尺电容器等效串联电阻，q j 充放电电流，f f l a 舻一电位的突变，m v 时间( s ) ( a ) 理想充放电曲线 u 蛆 删 时间( s ) 实际充放电曲线 图1 4 恒电流充放电曲线 f i g 1 4 c o n s n 戗t c h a r g e d i c b a r 萨a 抖e s 由于有些电极的比电容随着电极电位而变化。因此电极的充放电曲线并不完全是直 线，会发生一定的弯曲，如图1 4 ( b ) 所示。因此可以从电极的恒电流充放电曲线来判断 电极的电容性质。 通过研究单电极的循环伏安特性和单体电容器的恒电流充放电测试来考察电极的 电化学性质，超级电容嚣电极的循环伏安曲线要求尽量的接近矩形，恒电流充放电曲线 尽量的呈现线性，并且要求它可以承受比较大的电流充放电而容量不会有太大的损失。 对于组装出来的电容器，我们要研究这种电容器正负极之间的搭配以及这种电容器作为 储能装置的工作情况，因此主要是采用恒流充放电 ；受| i 试，同时研究在各种充放电制度下 电容器的工作状况。 大连理工_ 人学硕士学位论文 1i3 充电技术的发展概述 传统的充电方法是恒流充电和恒压限流充电。这两种充电方式的特点及存在的问题 如下： ( 1 ) 恒流充电 充电时以恒定不变的电流进行充电，该电流可以通过改变可控砖的导通角来调整， 这种方式实现起来比较方便，易于做到。 恒流充电方式的不足是在充电中后期电流过大。因此，人们在恒流充电方式的基础 e 进行了改进，即采用恒流限压充电方式。为避免过充电，在充电后期采用限压措施， 减小充电电流，避免损坏超级电容器。 ( 2 ) 恒压限流充电 充电初期充电电流很大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电 流通过，这样，在充电过程中就不必调整电流。随着超级电容器端电压升高，充电电流 会自动下降，充电时间较长，能耗较低( 充电效率可超过8 0 ) 。它的缺点是：充电初期， 如果超级电容器放电深度过大，充电电流会很大，不仅危及充电装置的安全，也可能因 过流而损伤超级电容器；如果充电电压选得过低，后期充电电流又过小，就会使充电时 间太长：此外超级电容器端电压的变化也很难补偿。为了补救恒压充电的缺点，在恒压 充电的基础上进行了改进，当充电电流较高的时候，这时应采取限流措淹，保持电流不 超过某一设定值而使电压降低，待电流降低、电压升起后再稳压，这就是恒压限流的含 义。 1 1 4 充电电源的发展状况 同前，常用的充电电源主要有以f 三种：相控电源、线性电源、开关电源一1 “。 相控电源是较传统的电源，它将市电直接经过整流滤波后输出直流，通过改变晶闸 管的导通相位角，来控制整流器的输出电压。相控电源所使用的变压器是工频电源变压 赫，它的体积庞大，由此造成相控电源本身体积庞大、效率低下。而且该类电源动态响 应差、可靠性能低。目前幅控迫源己经有逐步被淘汰的趋势。 线性电源是另一种常见的电源，它是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电 源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区，通过的电流是连续的。出于调整管上的 损耗功率较大，所以需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。 开关电源的研究发展历史比较短，在2 0 世纪6 0 年代中期开始了相关的研究，共于 当时研制出了2 0 k h z 的d c d c 变换器，这为开关电源的发展奠定了基础。七十年代， 出现了使用高频变换技术的整流器，它使交流电不经过5 0 h z 的工频变换器，而是真按 超级电容器恒流测试电源 整流再逆变为高频交流，再整流滤波变为所需的直流。在我国，开关电源的研制比较晚， 1 9 6 3 年才开始研制采用可控整流器。几年来，国内众多厂家已经研制生产出自己的开关 电源产品，其性能基本上接近了国际先进水平。 随着电力电子技术和自动控制技术的发展，尤其是大功率高压场效应管等靳型高频 开关器件的出现，使得功率变换器的开关频率大大提高，可大大减小功率变换器中的变 压器体积和重量，以及电感、电容等无源器件的容量，从而可大大减小开关电源的体积 和重量。 开关电源自最初的低频开关电源发展到高频开关电源( 2 0 k h z 以上) ，其开关频率 越来越高，性能越来越完善，在近期内，开关电源将占据主导地位。 近年来，国内外人士正致力于充电装置的智能化研究，智能化程度较高的充电装置 解决了动态跟踪可按受充电电流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接受充电电流保 持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，提高了充电质量和效率，可靠 性及自动化程度更高，功能更加完善【1 ”l 。 1 2 研究课题的意义 本课题的任务是设计一个恒流充放电测试系统，主要是针对大电流超级电容器的充 放电控制。目前超级电容器的研究还处于起步阶段，作为超级电容器的实验研究综合测 试系统，恒流循环充放电实验是主要的测试手段之一，而用于超级电容器充放电的恒流 源测试设备，目前在市场上国内产品只有电流小于l a 的恒流源，这对于超级电容器大 电流充放电性能的研究，显然是不够的。为了满足超级电容器的实验研究的要求，本课 题设计并制作一个能用于超级电容器进行大电流循环充放电的电流源。同时该测试系统 还能够用于蓄电池的充放电研究与测试中。 作为实验研究测试电源，可为超级电容器和蓄电池的循环充放电测试提供恒流测试 没备。目前国内只有小电流的相关产品，而国外大电流恒流测试源，价格及其昂贵，因 此研究大电流充放电的恒流测试源具有一定的使用价值。 1 3 本课题的目的和任务 国内外对于小容量的、应用于小电流的充电技术研究己比较成熟，但对于大电流的 超级电容器的充放电设备研制介绍不多。超级电容器大电流的充放电设备需要解决的问 题有： ( 1 ) 能进行充电前处理，包括超级电容器充电状态鉴定、预处理。 ( 2 ) 改善充电控制不合理，而造成过充、欠充等问题，提高超级电容器的使用性能 和使用寿命。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 增加智能化管理设置，减轻充放电过程的劳动强度和劳动时间。 超级电容器充放电系统主要解决上述问题，从而使恒流测试设备具有更高的可靠 性、更大的灵活性，日成本低。所以本课题研究的意义在于：充分研究超级电容器的充 放电特性，采用单片机技术和模糊控制算法，寻找有效的充放电及智能化管理途径；使 测试设备具有完善的自诊断功能和适时处理功能。 超级电容器恒流测试电源 2 总体设计 2 1 恒流源概述 2 1 1 恒流源的定义 恒流源这个术语原则是指这样一种稳定电源：它输出的电流与其外部影响无关。实 际| ! ! = ，大多数恒流源足用电子电路实现的，而且仅当外部条件在一定的范围内变化时才 能保持输出电流基本不变( 2 0 】。 个理想的直流恒流源将产生一个与其两端电压无关的恒定电流。理想直流恒流源 的伏安特性如图2 1 所示。它是一条和电压轴平行的直线，并截电流轴于j 。理想恒流 源的特征方程为 j = j 。( 2 1 ) l 图2 1 理想恒流源的伏安特性 f j g 2 】v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i co f i d e a lc o n s t a n t c l l r r e n ts o u r c e 由图2 1 可见，不管恒流源两端的电压数值多高，它的电流始终固定为，。因此理 想恒流源的等效内阻为无穷大。或者说，它可以输出无穷大的电压。还可以看到，单由 恒流源我们不能确定它两端的电压，而只能确定它的电流值t 。恒流源两端的电压必须 根据它所接的外电路来确定。 实际恒流源的等效内阻不可能为无穷大，其输出电压也总是有限的，即仅允许在一 个规定的电压范围内作为恒流源工作。图2 2 ( a ) 为一实际恒流源的电路模型。其中，。为 ， 理想恒流源的输出电流，= 警为其内部流动的电流，接上负载后的输出电流为 大连理丁大学硕士学位论文 ( 2 2 ) 根据式( 2 2 ) 画出的实际恒流源的伏安特性如图2 2 ( b ) 所示，它不再和电压轴平行 其倾斜程度和恒流源的等效内阻r i 有关。由( 2 2 ) 式求。对u 。的导数得到 氓 1 a u 。r f 矾吼 图2 2 实际恒流源的电路模型和伏安特性 f i g 2 2c i r c u i tm 。d e la n dv o l t a m 弘r ec h 缸a c t e s t 耙o fp 绉c 如以c o n s t a t l tc u l 芒n t u c e ( 2 3 ) 可见，伏安特性斜率的倒数等于该恒流源的等效内阻。因此内阻r 越大，斜率越小t 伏安特性趋向水平。仅当r = o 。时，l = 才能成为一个理想的恒流源。 21 2 恒流源的主要技术性能 实际恒流源的输出电流l 通常是输入电压，负载电阻r 和温度r 的函数。一般 地表示为 j 。；，k r 。，t ( 2 4 ) 由于在恒温的条件下，输出电压【，。可由负载电阻r 值决定，即有u 。= 。凸r l ，因而 输出电流对负载电阻r 的依赖关系可以用输出电压u 。的依赖关系来表示，于是式( 2 4 ) 可改写成 ，。= 厂 u 。，u 。，丁 ( 2 5 ) 当输入电压、输出电压和环境温度发生微小变化时，输出电流的变化量可表示为 ”轰伽、+ 轰邶。+ 鲁世 ， 超级电容器恒流测试电源 其中出表示：输出电流的变化量 厶u ，表示：输入电压的微小变化 u 表示：输出电压的微小变化 t 表示：环境温度的微小变化 而器、美专、鲁则表示恒流源性能优劣的主要参数，现分别说明如下： ( 1 ) 稳流系数s ， 定义：在负载和环境温度保持不变的条l 牛下，输出电流的变化量与输入电匿的变化 量之比称为恒流源的稳流系数，并以s 表示。 在图2 3 中，令尺。= r 。、，= t ，若输入电压在规定值，；。处发生一微小变化厶u 。， 相应的输出电流变化出，其比值： s ；兰生( 2 7 ) “- 即为恒流源的稳流系数。恒流源的稳流系数是一个转移因子，单位是西门予( s ) 。 图2 3 恒流源的电压调整特性 f i g ，2 3v o l t a g ec h a r a c t e r i s 虹co f c o n s t a n cc u r r e ms o u r c e 实际上常以电压调整率来表示电源电压对输出电流的影响。它的定义是：负载和环 境温度为定值时，输出电流自身的相对变化量与输入电压的相对变化量之比值，记 乍 置。，即 大连理_ t 大学硕：i 学位论文 通常以输入电压波动1 0 时，输出电流的相对变化量来表示电压调整率。显然， s 。是一个无量纲的参数，其值越小越好。上述s ，和s ，。的定义不一样，但都表示一个恒 流源克服输入电源电压变化的能力。 ( 2 ) 输出电阻r 、 定义：在输入电压和环境温度保持不变的条件下，输出电流的变化量和输出电压的 变化量之比的倒数称为恒流源的输出电阻( 即等效内阻) 并用r 表示。 在图2 4 中，令u = u 护r = t ，使负载有一微小变化，对应的输出电压变化u 。， 而输出电流的变化量为虬，则比值 图2 4 恒流源的负载调整特性 f 嘻24 a dc h a f a c l e r i s “co f c o n s t a n tc u “n ts o u r c e ( 2 9 ) 由于电源电压一定时，输出电压 ，。总是随着输出电流l 的增加而减小，即u 。和 出。的变化是相反的。r 的数值越大，说明负载变化( 即输出电压变化) 引起输出电流的 变化越小即恒流源的特性越好。 印伫 丝k 一坐 | l s 超级电容器恒流测试电源 有时也用负载调整率来表示负载变化对输山电流的影响程度。它的定义是：电源电 压和环境温度为定值时，输出电流自身的相对变化量与输出电压( 即负载电阻) 的相对变 化量之比值，记作s ，即 盟 s 。，2 景 2 1 1 ) r 一 显然，s 也是一个无量纲的参数，其值越小，恒流源的性能越好。 ( 3 ) 电流温度系数旺。 定义：在输入电源电压和负载电阻保持不变的条件下，输出电流的变化量和环境温 度的变化量之比值称为恒流源的电流温度系数，并记以c 【。表示。 在图2 5 中，令u 。= u r = r l s ，若环境温度在规定值l 处有一微小变化量r ， 由它引起的输出电流变化量为，。，则比值 旺，= 等 图2 5 恒流源温度特性 f i g25t e m p e r a t l 畔c h a r a c 【e r i s t i co fc o n s t a n tc u r r e n t s o l l f c e ( 2 1 2 ) 虬一k一数 = s 大连理工大学硕士学位论文 即为恒流源的电流温度系数，它的单位是a 。有时用平均每温升l ， 变化的百分数来定义恒流源的电流温度系数，即 c 【，：上垒i 1 0 0 丁 ，一 输出电流孝h 对 f 2 1 3 1 它的单位为，。d ，越小时，恒流源的性能越好。 根据稳流系数、输出电阻和电流温度系数的定义，现在可将式( 2 6 ) 改写为 1 ，。= s 。u 、一一u 。+ a l r ( 2 1 4 ) o 由此可见，只有当s 、d 。非常小而圮又非常大时，才能获得优照的恒流性能。 ( 4 ) 电流稳定度r 除上述定义的三个参数外，在使用中，对恒流源质量最商接的评述标准应该是输 出电流自身的相对变化( 当上述三个条件不变的情况下) ，叫电流稳定度，记作x ，即 z ：竺生( 2 1 5 ) 1 j 。 实际的恒流源的输出电流稳定度在使用时要受到三个上述条件的影响。 恒流源般来说由以下几种构成：采用集成运放构成的线性恒流源；采用开关 电源的开关恒流源：采用集成稳压器的恒流源。本文采用开关电源的开关恒流源。 2 2 主电路设计 图2 6 为降压斩波电路原理图，主开关器件用晶闸管喝，当其触发导通时，在电抗 器三中积储能量，积储的能量和电源的能量共同供给负载。l 足够大时，流过l 的电流 可看成一定值，设y i 导通刚间为 ；当y i 关断时，负载电流通过二极管w ) 续流，负 载电流按指数曲线下降，为了减少负载电流的脉动，通常串接的l 值较大，使电流能连 续，设：的切断时间为如。负载端直流输出电压的平均值为 u = 三l e = l e = 酣e ( 2 1 6 ) ” 1 + r 2 式中口为导通比( 占空比) 。 式( 2 1 6 ) 中的f r j寸吐d 岳 厂 叫士，r l 一，o q 。且 毒 o 7 m a 1 2 l 蒂一静错率 图2 。1 7t l 4 9 4 内部结构图 f j g 2 1 7t l 4 9 4c o i l f g l l r a t i o nd i 赡m “ 回路控制器如图2 。1 8 所示。脉冲凋宽电压由8 9 c 5 1 检测到超级电容器电压、电流 及温度等参数经模糊处理做出判断，确定当前的充电阶段，作为闭环吲路的及馈信号， 通过简单滤波电路进行平滑、去除杂波干扰后经d a 转换器输出电压信号送给t l 4 9 4 的说差放大器1 的i n + 同相输入端d t c 。设定输入信号是由t l 4 9 4 的5 v 基准电压源经 精密多陶电位器分压，由电位器动端通过有源简单滤波电路按入t l 4 9 4 的误差放大器 】的一反相输入端。反馈信号和设定信号通过t l 4 9 4 的误差放大器1 进行比较放大， 进而控制脉冲宽度，这个脉冲宽度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器 构成的隔离放大电路进行平滑乘i 放大处理，输出一个与脉冲宽度成正比的：置流电压。这 个电压就是所需要的输出控制电压，用它去控制执行电路，及刚渊艇被控制黔，当调宽 电压变化时，t 1 4 9 4 输出的脉冲宽度也随之改变，从而改变m o s f e tq 1 的导通时间， 达到调节、稳定输出电压的目的，使被控制量始终与设定值保持致形成闭环吲路控 制。 超级电容嚣恒流测试电源 在本控制器中只用到了t l 4 9 4 的误差放大器l ，故将误差放大器2 的i n + ( 1 6 脚) 接 地、i n 一( 1 5 脚) 接高电平。经过实验，在本控制器中振荡电阻和振荡电容分别取5 k q 和 0 1 心。输出采用并取方式，取自发射级。整机电源取1 2 v 单电源。 本次设计采用一组p w m 输出，故t l 4 9 4 采用单端输出方式。单端输出时t 1 4 9 4 的8 脚和1 1 脚接在起，输出p w m ，9 脚和1 0 脚接地。由于t l 4 9 4 产生的p w m 波 频滤矗。由外接电阻见和外接电容c t 决定，其振荡频率为： 1 1 o s 。i 百 c u r r e n t 设定值 刚氍俐 1 8 9 c 5 1o u t 。一，- - 叫童镐f 5 k 0 1j ? 1 l n + 2 i n + 1 i n 一 2j n f e 印队c k r e f d t cc t r l c t ，c c r tc 2 3 n de 2 c 1e 1 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 r l ! k31 3 蝗： + 5 v 0 1 e 盥4 v c c o o 1 一p w m 图2 1 8 t l 4 9 4 控制电路 f i g 2 1 8t 乙4 9 4c o n 台o lc l r c u t c 5 1 u f ( 2 4 2 ) 考虑到m o s h 汀q 1 的工作频率以及舢d 转换时间的要求，本电路墨选择为5k n ，c t 选择o 1 m f ，所以尼。，为2 k h 2 。 用t l 4 9 4 为主要元件实现的闭环单回路控制器具有构思叛颖、电路简单、成本低廉 以及控制过程稳定等特点，在很多工业控制场合获得了广泛的应用。 2 6 2d a 转换模块 本实验采用d a c 0 8 3 2 作为d a 转换模块，d a c 0 8 3 2 是一个8 位d a 转换芯片， 由8 位输入寄存器、s 位d a e 寄存器和& 位科a 转换电路组成。本次设计只采用l 路 模拟量输出，故采用单缓冲方式连接，就是使d a c 0 8 3 2 的两个输入寄存器中的d a c 寄 存器处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。为使d a e 寄存器处于直通方式， 应使瓦磊：o 和j 矛葫：o ，为此可把这两个信号固定接地。d a c 0 8 3 2 通常需要外接运算 放大器才能得到模拟输出电压【2 6 伽。如图2 1 9 所示。 大连理一l 大学硕士学位论文 为使输入寄存器处于受控锁存方式，应把万瓦接8 9 c 5 1 的亓面，儿接高电平。此 外还应把c s 接译码器7 4 h c l 3 8 的y 5 脚，以便对输入寄存器进行选择。输出采用电压 输出形式，要在其输出端加运算放大器，通过运算放大器构成电流一电压转换电路，将 转换器的电流输出变为电压输出。 ? 图2 1 9 d a 转换电路 f i g 2 1 9d ac o n v e r s i o nc i r c u i t 信号由d a c 0 8 3 2 的参考电压输入，单片机通过改变送入d a c 0 8 3 2 的数据值控制输 出信号的幅度，即 = n k 。) 2 5 5 = (