在某些應(yīng)用中，超級(jí)電容器正在成為電池儲(chǔ)能的可能替代品。然而，超級(jí)電容器提供的主要優(yōu)點(diǎn)必須與一些顯著的缺點(diǎn)相平衡。
從好的方面來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器的壽命幾乎無(wú)限，約為 10,000,000 次充電/放電循環(huán)，并且可以以超過(guò) 1,000 安培的驚人電流進(jìn)行充電和放電。它們?cè)诤艽蟪潭壬弦膊皇軠囟茸兓挠绊�。然而，它們�(cè)谀芰棵芏然虺杀痉矫鏌o(wú)法與電池競(jìng)爭(zhēng)：超級(jí)電容器通常只能提供鋰離子電池能量密度的 3-5%，而成本卻高出 10 至 15 倍。
然而，在某些應(yīng)用中，其優(yōu)勢(shì)甚至超過(guò)了這些限制。但超級(jí)電容器在如何充電和回收能量方面也面臨著兩個(gè)重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。充電時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)是在電容器完全放電時(shí)將能量轉(zhuǎn)移到電容器（實(shí)際上呈現(xiàn)短路），而隨著電容器的使用，回收能量也變得越來(lái)越困難。電壓接近0V。克服這兩個(gè)挑戰(zhàn)是有效使用超級(jí)電容器替代電池存儲(chǔ)的主要障礙。
圖1：基于SMPS的恒流充電器
充電挑戰(zhàn)
線性充電器在給完全放電的電容器充電時(shí)會(huì)消耗很大一部分能量。然后，當(dāng)電容器充電時(shí)，損失的能量比例較小，更多的能量進(jìn)入電容器。加上電容器吸收的功率和充電器中消耗的功率，在整個(gè)充電周期中，充電器實(shí)際上會(huì)以熱量的形式消耗一半以上的可用能量。事實(shí)上，線性充電器將近 58% 的可用充電能量以熱量的形式丟棄。
另一種充電選擇是使用基于開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 的系統(tǒng)，其中輸出電容器電壓和源電壓之間的差通過(guò)電感器下降。在電壓調(diào)節(jié) SMPS 設(shè)計(jì)中（上圖 1），電感器電流由輸出電容器兩端的電壓與固定參考電壓之間的差值驅(qū)動(dòng)。然后，該差值電壓被放大、積分和相移，然后反饋到脈寬調(diào)制 (PWM) 比較器。
然后，PWM 比較器使用該電壓來(lái)確定在下一個(gè)周期中流過(guò)電感器的電流量。通常，通過(guò)精心設(shè)計(jì)，SMPS 電路可以實(shí)現(xiàn)大于 80-90% 的轉(zhuǎn)換效率。
在充電器電路中，在恒定輸出電壓下運(yùn)行的時(shí)間非常少。根據(jù)定義，充電器電路設(shè)計(jì)為在將電容器電壓從零升至終電壓的同時(shí)完成大部分工作。正是在充電期間，需要優(yōu)化能量傳輸。
充電電路需要一個(gè)能夠獨(dú)立于輸出電壓調(diào)節(jié)電容器充電電流的系統(tǒng)，并且僅使用電壓反饋?zhàn)鳛榇_定充電何時(shí)完成的手段。圖 1 顯示了如何使用典型 SMPS 設(shè)計(jì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這里，通過(guò)將電感器中的電流與兩個(gè)固定水平進(jìn)行比較來(lái)調(diào)節(jié)電感器中的電流；一個(gè)處于所需電流，另一個(gè)處于電流。
初，由于電感器兩端的電壓處于值，因此電感器從電流上升到電流所需的時(shí)間非常短。放電時(shí)間會(huì)相應(yīng)更長(zhǎng)，因?yàn)殡姼斜仨毞烹姷较鄬?duì)較小的電壓。然而，隨著電容器中的電荷增加，電壓差將下降，從而增加斜坡上升時(shí)間，并且電容器電壓將上升，從而縮短放電時(shí)間。
雖然可以使用傳統(tǒng)的時(shí)基驅(qū)動(dòng) PWM 來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的功能，但電感器的選擇對(duì)于維持電流水平至關(guān)重要。此外，當(dāng)占空比大于 50% 時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。避免這種不穩(wěn)定的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是使用松弛振蕩器、555Timer 式系統(tǒng)，使用兩個(gè)比較器和一個(gè) SR 觸發(fā)器，以便電感器組件值設(shè)置頻率。 |
