基于超级电容的电源功率补偿系统设计

发布时间：2022-04-01所属分类：电工职称论文浏览：1次

摘 要： 摘 要：目前，蓄电池在使用过程中可能出现功率无法满足负载，即在突发情况之下电源瞬时输出大功率电流，从而严重影响电源的使用寿命。为此，本文提出一种基于超级电容的电源功率补偿方法，通过单片机系统检测电源输出功率，调整电源输出模式以此达到电源灵活适配负载需

　　摘　要：目前，蓄电池在使用过程中可能出现功率无法满足负载，即在突发情况之下电源瞬时输出大功率电流，从而严重影响电源的使用寿命。为此，本文提出一种基于超级电容的电源功率补偿方法，通过单片机系统检测电源输出功率，调整电源输出模式以此达到电源灵活适配负载需求功率，以同时提高电源工作效率和使用寿命的目的。实验测试结果表明，所开发的系统能够实现在负载瞬时功率过大的情况下解决蓄电池供电电流不足的问题，能够对电源起到保护作用。

　　关键词：蓄电池 超级电容 功率补偿 单片机

　　随着当今社会的发展，环境和能源已经成为制约我国经济高速发展的重要问题。为了能够更好的解决环境和能源问题，实现可持续发展，采用新能源和新材料是未来发展的必然趋势[1]。超级电容作为一种新型储能装置，相比于蓄电池具有功率密度大、内阻小、充放电循环次数循环寿命长、电能容量大、能够大功率放电，而且能够在温度波动较大的环境中工作等优点[2-4]，因此超级电容在工程项目中逐渐受到广泛关注。但是超级电容作为电源使用中存在电压波动大，放电安全存在隐患问题[5]。实际运用中将超级电容和传统的蓄电池同时使用能够起到很好的互补作用，超级电容和蓄电池共同组成复合形式电源系统能够有效的结合两者间的优点，同时能够弥补其在使用中的缺陷，在实际工程运用中拥有广阔的应用前景[6]。

　　本文通过单片机控制系统设计一款超级电容和蓄电池组成的复合电源管理系统，使用中超级电容通过以TPS63070为核心的DC/CD模块实现稳压供电，通过单片机实现电源输出切换功能，以此满足负载功率需求。

　　1 电源功率补偿方案

　　1.1 系统总体设计

　　复合电源管理系统主要由超级电容模块、充放电模块、蓄电池模块、单片机控制模块4个部分组成。电源系统通过单片机对输出功率进行实时检测与监控，系统常规输出时采用蓄电池作为供电电源;当输出功率高于蓄电池能够承受的功率时，电源系统使用超级电容作为辅助电源以此来满足负载的功率需求。

　　1.2 复合电源结构选型

　　常用蓄电池—超级电容并联结构有直接并联、通过电抗器并联和通过功率变换器DC/DC并联3 种方式[7]。相比与前两种结构，使用DC/DC模块并联作为电源结构不仅能够实现稳定电源电压输出，还能够保护超级电容放电功率，延长超级电容使用寿命。

　　本文采用蓄电池、超级电容组和DC/DC功率变换器搭建复合电源，在设计上有两种连接方式：一种是将DC/DC模块直接并联蓄电池后端，再并联超级电容模块;另一种是将超级电容连接DC/DC模块后再并联蓄电池。第一种结构在使用中超级电容相当于中间电源，将蓄电池的能量搬运到用电器上，这种结构解决了当负载端功率因外部环境而出现的功率突然变大可能会损害蓄电池的问题，但是也会因超级电容频繁充放电而引起部分能量损失，降低电源效率，减少超级电容使用寿命。相比之下第二种结构中超级电容组的电能能够由DC/DC模块控制，通过单片机识别电源的输出情况，当需要大功率输出时控制开关电路，将超级电容组加入到供电系统，满足负载大功率需要，同时也能够保证超级电容的SOC处于合理范围，提高电源效率和使用寿命。综上所述，本文选用第二种电源结构。

　　2 硬件电路设计

　　硬件电路设计作为电源模块主要组成部分，直接决定电源最终能否有效供能。本设计在硬件部分分为超级电容组，放电电路和电源检测电路3个部分。超级电容组是电源中储能部分，能够实现对能量的暂时存储，必要时作为电源的辅助能源进行供电;放电电路是电源的核心，它的主要功能是为超级电容进行稳压输出，确保超级电容能够实现稳定供能;电源检测电路是对电源输出功率进行检测，通过对功率检测达到确定电源供电方式。

　　2.1 超级电容组

　　单个超级电容在使用中只有2.7V左右的耐压值，电压大小完全不能够满足作为电源使用是设计要求。因此使用中采用多个超级电容串联的方式组成超级电容组，以满足系统供电要求。超级电容在制作为电容组时，如果直接将电容正负极串联，由于单个超级电容本身制造工艺和材料的问题会造成性能上的偏差，导致充放电不一致，表现在其使用中电压不一致的现象，而这种情况会降低超级电容整体能量利用效率，也会对超级电容的使用寿命产生影响[4]。

　　为了解决上述情况，需要对超级电容组采用均压方案实现电压平衡。均压方案可以分为能量耗散型和能量转移型。能量耗散型均压板在每个超级电容上并联电阻、二极管或者开关电路实现通过超级电容自放电来达到电压平衡的目的。这种方式不仅让超级电容组在使用过程中产生大量能量损耗，造成模块温度上升，还会造成电容充电速度下降，严重影响电源效率。相比于能量损耗型均压板，能量转移型均压板就能够弥补这些缺点。本文使用电感型均压板来实现电压平衡，这种方式不仅速度快、精度高，而且结构简单硬件数目少容易实现。

　　2.2 放电电路设计

　　当超级电源作为电源供电元件时会存在使用过程中电压不断降低的问题，所以为了保证电源稳定放电，必须将超级电容接入DC/DC变换器实现电压稳定后再接入电源电路。本设计采用TI公司制造的芯片TPS63070作为放电DC/DC变换电路核心芯片，TPS63070作为一款低静态电流的高效率降压— 升压转换器，适合用于输入电压产生很大波动的电源，它能够允许输入的电压范围为2.0~16V，输出端可以在2.5~9V间调节，在升压或降压的模式下其输出电流能够高达2A。作为一款基于固定频率、脉宽调制(PWM)控制器，在低负载电流的情况下，此控制器通过使用同步整流获得最高效率。在低负载情况下，此转换器进入省电模式以在宽负载电流范围内保持高效率，必要时可以被禁用以减少电源的消耗。如图1所示为TPS63079电路图。

　　TPS63070使用4个内部N通道MOSFET，以在所有可能的工作条件下保持同步功率转换。这使得设备能够在宽的输入电压和输出功率范围内保持高效率。为了在所有可能的输入电压条件下调节输出电压，装置自动从降压操作切换到升压操作，并根据配置要求切换回。它总是使用一个激活开关、一个整流开关、一个打开开关和一个保持关闭开关。因此，当输入电压高于输出电压时，它作为降压变换器工作;当输入电压低于输出电压时，它作为升压变换器工作。不存在所有4个开关都在切换的操作模式。通过开关和电感的均方根电流保持在最小值，以尽量减少开关和传导损耗。对于其余的两个开关，一个保持打开，另一个保持关闭，因此不会造成开关损耗。通过这种方式控制开关，可以使变换器在整个输入电压范围内始终保持高效率。该装置提供了从降压到升压或从升压到降压操作的无缝过渡。该装置的控制电路基于平均电流模式拓扑。平均电感电流由一个由电压控制回路控制的快速电流调节回路调节。

　　跨导放大器GMV的非反相输入可以假定为常数，GMV的输出定义了平均电感电流。通过测量高压侧降压MOSFET的电流，重建了电感电流。该电流与升压模式下的电感电流完全对应。在降压模式下，电流是在同一个MOSFET的导通时间测量的。在断开时间内，电流从接通周期结束时达到的峰值开始进行内部重构。然后将平均电流与所需值进行比较，然后将差异或电流误差放大，并与Buck或 Boost的锯齿斜坡进行比较。根据信号穿过两个斜坡中的哪一个，Buck MOSFET或Boost MOSFET被激活。当输入电压接近输出电压时，一个降压循环之后是一个升压循环。在这种情况下，同一模式的一行不允许超过三个循环。该控制方法在降压升压区具有鲁棒性强、效率高等特点。

　　当输入电压高于9V，输出电压低于2.2V时，开关频率降低2倍，以使最小接通时间保持在合理值。对于短路保护，在低于1.2V的输出电压下，低侧输入FET和高侧输出FET不是主动切换的，而是用于传导的背栅二极管。因此，一般应避免输出电压低于1.5V。

　　2.3 电源电压检测电路设计

　　根据设计上的要求，本文使用超级电容组作为临时储能元件起到辅助供能的作用，需要对超级电容组的电压进行监控，在其电容偏低的时候为其充电，防止电容组电压过低而导致的DC/DC模块无法正常工作，并且损坏模块的问题。如图2所示为电压检电路图。

　　检测电路采用分压电阻的方式进行电压检测，在设计上超级电容组电压上限为12V，为了保证检测口输出的信号能够符合单片机ADC口电压转化范围，所以将其按照3:1的电阻进行分配，使其最大检测电压为3V。同时在设计上为了降低采样电阻对整个硬件电路的影响和检测的准确性，本文采用高精度大阻值的电阻和滤波电容进行电路设计。

　　电流检测的原理是通过将采样电阻检测接入需要检测电流的电路支路，通过运算放大器将采样电阻处产生的电压进行放大处理后接入单片机的 AD引脚口。电流采集电路图3所示。

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　　电流检测电路是以AD8217作为核心搭建的检测电路，它能够承受4.5~80V的电压输入，而且其内部有一个LDO(低压降稳压器)使其不需要单独供电。这款芯片是一块能够耐高压的高分辨率型差分放大器，芯片内部自动设置其放大倍数为20V/V，它在-40℃~+125℃温度范围内的最大增益误差为 ±0.35%。AD8217芯片在设计上采用4个引脚，分别为IN+、IN-、OUT和GND，使用简单，方便搭建测试电路。

　　在硬件电路设计上采用是10mΩ的高精度功率电阻作为采用电阻。根据放大电路固定放大倍数是20倍，单片机能够检测出的最大电压为3.3V 的特性，通过计算可知能够检测出的电流范围为0~16.5A。以上功能完全能够满足电源的供电要求。

　　3 实验结果分析

　　本实验设计的超级电容的电源功率补偿系统能够实现对负载功率检测并调节电源输出模式达到功率补偿的目的。实验中主要使用的模块是电源检测模块和DC/DC调压模块。电源检测模块能够实现 0~12V的电压范围和0~16.5A的电流范围。DC/DC 模块能够实现2.0~16V的电压输入范围和2.5~9V的电压输出范围，模块最大输出功率为18W。如图4所示为实验室使用的部分模块。

　　实验过程中，采用电机作为负载，电机在正常运转过程中为空转状态，此时负载需要的电流较小，能够达到0.5A的电流。当在电机上施加负载时，电机所需要的电流会增加，本实验中给电机增加负载后，电机需要达到2.5A的电流才能正常运行，此时使用蓄电池无法满足电机供电要求，测试中通过超级电容组为蓄电池提供功率补偿，超级电容组最高能够达到2A的输出电流，两者同时供电能够满足此时电机所需要的电流。

　　4 结论

　　本文针对在蓄电池池电源在工作重遇到的负载工作突然增加，从而导致电源瞬时峰值电流增大，严重影响电源寿命和能效的情况，提出一种基于超级电容的电源功率补偿系统。电源系统通过对负载功率进行检测，当负载需求功率提高时电源接入超级电容组实现功率补偿，在消除大电流对蓄电池的影响，提高电源的使用寿命。本设计中TPS63070作为超级电容组的放电模块核心，可以实现超级电容组最低2V的电压输入，能够充分利用超级电容组储存的能量，电源转换效率能够达到95%，提高了电源的能效。——论文作者：王尚静1 万 奥1 甘英铭1 史梓谭1 张卫国2

　　参考文献

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　　[2] 张雷，胡晓松，王震坡. 超级电容管理技术及在电动汽车中的应用综述[J]. 机械工程学报， 2017，53(16)：32~43+69.

　　[3] 邢增强，崔文朋，刘瑞，等. 基于超级电容的太阳能电源管理系统[J]. 电力电子技术，2021，55 (02)：101~104.

　　[4] 李万敏，王彦，朱有地，等. 基于超级电容和蓄电池组合电源的混合动力拖拉机动力控制系统研究[J]. 农业机械，2019(01)：101~106.

　　[5] 王祥，孙玉坤，孙涛，等. 基于超级电容SOC 的复合电源能量管理研究[J]. 电力电子技术， 2015，49(11)：105~108.

　　[6] 佟德军. 基于超级电容的双向变换能量存储系统的研究[D]. 哈尔滨工业大学，2012.

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