一种新型恒功率超级电容器快速

范文一：一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计

一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计 (1)

2010-11-22 19:00:20???作者：浙江大学电气工程学院系统科学与工程系???来源:电子技术应用 ?? 关键字：UC3844A；双管正激；电压环；电流环；隔离驱动

摘? 要：研究了超级电容快速充电方法，分析了恒功率快速充电的原理，并通过比较恒电流和恒功率两种方法，证明了恒功率充电更有利于实现快速充电。根据恒功率充电原理，制作了快速充电样机。实验表明该样机电路稳定，能够实现快速充电要求，具有良好的实用前景。

传统蓄电池电源系统的电池记忆效应差、容量下降及充电时间过长是长久以来一直存在的问题，而这些问题可使用超级电容来解决。超级电容是一种极大程度上模拟了电容的电压特性曲线且具有非常高的容值的新型能源器件，目前已有万法拉级的超级电容单体。超级电容无充放电记忆效应，允许上百万次充放电而不会有任何容量上的损失。此外，超级电容具有极低的等效串联电阻（ESR），这一特性使得超级电容可以大电流充放电，其额度远超过当前最好的电池。低ESR和几乎没有电流限制的特性使得超级电容对充电系统表现出“假短路”，这给系统集成带来了挑战。为了解决这个问题，需要针对超级电容的特性寻找新的充电方式。与电池不同，超级电容可以同样的额度充电和放电，对能量回收系统(如传动系统的动态刹车)非常有用。

1 系统设计理论分析

由于RC时间常数太大，线性稳压器对超级电容充电效率极低。由于超级电容具有较低的等效串联电感，使得开关模式充电电路的运行稳定。由于超级电容可以承受大电流的特性，恒流充电或者恒功率充电是较好的充电方式。

1.1 超级电容充电模型

参考文献[1]比较了不同应用场合下的不同的超级电容模型。由于本系统是设计超级电容充电机，因此需要采用超级电容的充电模型。它由阻性部分等效电阻ESR和容性部分电容C串联而成，表征了超级电容的充放电特性。

超级电容的电压时间特性曲线由容性和阻性两部分组成。容性部分代表了超级电容能量改变导致的电压改变；阻性部分代表了超级电容ESR导致的电压改变。

容性部分由下列方程式决定：

所以充电或者放电时的总电压改变量为：

超级电容最重要的参数是ESR和电容值的大小(可以从产品手册上获知)。式(1)为超级电容充电的理论模型[2]。

1.2 恒流充电与恒功率充电

超级电容特性决定了恒流充电和恒功率充电是两种较好的充电方式。采用DC-DC变换器可以实现这两种充电方式。使用BUCK或者BOOST电路来对超级电容充电，在连续输出电流时，BUCK电路是首选。但是对于充电时间敏感的充电机来说，恒流充电并不是最优选择，恒功率充电在充电时间上更有优势。比如，对一个100 F、50 V的超级电容模组使用50 V、20 A的电源进行充电，在恒流充电模式下，最大充电电流为20 A；而在恒功率充电模式下，充电功率可达1 000 W，其中最大充电电流限制为50 A。如图1所示，恒流充电至50 V时所需时间为250 s，而恒功率充电至50 V所需时间约为145 s。这表明恒功率在充电时间上比恒流充电更具优势[3]。

1.3 恒功率充电实现原理

恒功率的基本原理是保持电压和电流的乘积不变。本设计采用双管正激变换器拓扑，使用峰值电流控制的方法进行恒功率设计。双管正激电路是隔离型降压电路，设输入电压为Vin，输出电压为Vout，变压器变比为1:n，占空比为D，则输出电压和输入电压的关系如下：

Vout=Vin×D×n

电路设计好后，Vin和变比n不变，可通过调节占空比来调节输出电压。如图2所示曲线1对应的充电电流大于曲线2对应的充电电流。R、S对应的波形是RS触发器复位和置位端波形。根据峰值电流控制原理，每个开关周期之初，时钟脉冲置位RS触发器，使开关管导通，电感电流逐渐增加，当检测到电流信号is大于指令电流ic时，电流比较器翻转并复位RS触发器，这时开关管被关掉，变压器停止传输功率，扼流圈电流由续流二极管续流。通过峰值电流控制，当电流增大时，PWM占空比减小，根据输出电压的计算式可知输出电压也减小，从而使得输出电压和输出电流乘积(即输出功率)保持不变，这就是恒功率充电的基本原理[4]。

2 硬件系统设计

本设计拟对Maxwell公司的产品BMOD0165(额定电压为48 V，额定容值为165 F)超级电容模组进行充电，系统结构如图3所示。硬件系统由单相整流电路、双管正激变换器、电流电压检测反馈电路及保护电路等部分组成。系统首先将单相220 V交流电经过整流滤波后得到直流电压，然后通过双管正激变换器实现降压，并在电气上实现输入输出的隔离。引入电流反馈环节，通过峰值电流控制实现恒功率充电。

2.1 双管正激电路

双管正激电路[5]是一种可靠的DC-DC电路，广泛使用于低压大电流场合中，双管正激拓扑如图4所示。如果电路工作在CCM方式，假定MOS开关管Q1、Q2漏源电容电压为零，则漏源电压就能瞬时变化。如图5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管栅源驱动信号，两者时序相同，即Q1、Q2同时开通、同时关断。

一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计 (2)

2010-11-22 19:00:20???作者：浙江大学电气工程学院系统科学与工程系???来源:电子技术应用 ?? 关键字：UC3844A；双管正激；电压环；电流环；隔离驱动

t0~t1：t0时刻，Q1、Q2同时开通，变压器T1原边电压为直流母线电压Vdcin，设变比为1：n，则副边电压为Vdcin×n，电压极性不变。输出电流线性增大，经过副边整流管D3、扼流圈后进入超级电容。扼流圈存储能量，此时，开关管电流is1、is2由副边反射电流和励磁电流组成，且线性增大。

t1~t2：Q1、Q2同时关断，变压器T1原边电流经过原边续流二极管D1、D2进入母线，变压器磁芯复位，此时变压器主侧电压为-Vdcin，则副边电压为-Vdcin×n，电压极性不变。Q1、Q2开关管漏源两端电压Vds1、Vds2为Vdcin。此时，副边整流管D3截止，扼流圈电流通过续流管D4续流，输出电流线性减小，进入超级电容。扼流圈释放能量，此时，开关管电流is1、is2减小到0。

t2~t3：t2时刻，原边续流管关断，续流结束，变压器磁芯复位，变压器T1原边电压为零。此时，Q1、Q2漏源两端电压Vds1、Vds2为Vdcin/2。副边续流仍继续，t3时刻续流副边续流结束，下一个驱动高电平到来，开关管Q1、Q2开通。进入下一个开关周期。

2.2 电流电压双闭环控制回路

本设计中采用双闭环的结构实现充电电流和充电电压的控制，使用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能电流型PWM控制器，其内部结构如图6所示；内部有一个误差放大器和电流放大器可以方便地组建电流电压双闭环，在实际使用中，为了具有更快的响应速度，可略去误差放大器，使用电压调整器TL431和光耦PC817构成电压反馈。电流环通过使用LEM公司的电流传感器LAH 25-NP来组建。

双闭环电路原理图如图7所示，Vs是来自LEM霍尔电流传感器LAH 25-NP输出的电压测量信号，通过一阶滤波环节后进入电流反馈端，即图中电流比较器的负端。VO 48 V来自功率部分的输出，由于TL431最大只能稳压到36 V，故需要对经典TL431稳压电路进行部分修改，以满足48 V稳压要求。在TL431的3脚(即K极)引入24 V稳压管D4_Z1，TL431的端电压约为24 V，从而可在安全工作区内正常稳压工作。PC817实现电气上的隔离，并通过输出电压Vce稳压。当超级电容电压接近48 V时，PC817输出电流Ic增大，则Vce减小，同时进入UC3844补偿端1脚的信号减小，相应输出PWM占空比也减小；当超级电容电压超过48 V时，UC3844补偿端1脚拉低，PWM关断，起到过压保护的作用。

3 整机调试

实验设计了最大功率为1 kW的超级电容充电样机，实验测试表明，对BMOD0165(额定48 V、165 F)超级电容模组充电时间约为5 min。图8为电路中的关键工作波形，其电压为30 V、充电电流约为10 A的充电波形。从上至下依次是Vds、Vpri、PWM信号和开关管峰值电流波形。由于缓冲电路的作用，使得波形干净无杂波，基本没有电压尖峰。Vpri负电压有一定变形，但是不影响电路性能。

本文研究了超级电容的充放电特性，分析了快速充电的方法，设计并实现了快速充电样机，试验表明充电时间短，达到了应用要求。

参考文献

[1] SHI L，CROW M L.Power and energy society general? meeting-conversion and delivery of electrical energy in the? 21st century[C]，2008.

[2] Maxwell technologies.Charging of ultracapacitors[C].Technical Note-Document #1008981 Rev 1 Maxwell Technologies，2005.

[3] EDELSON R.Charging ultra-capacitorswith current-fed roger edelson.power supplies[C].MSEE，Power Partners，2005.

[4] ROBERT W.Erickson dragan maksimovic fundmentals of? power electronics[C].Sencond Edition Kluwer Acdemic Publishers New Yourk，Boston，Dordrecht，London，Moscow，2001.

[5] MUHAMMAND H.电力电子学-电路、器件及应用(英文版，第三版)[M].北京：人民邮电出版社，2007.

范文二：恒功率超级电容器快速充电机设计

恒功率超级电容器快速充电机设计文章出处：mangopoon 发布时间： 2010/11/26 | 3130 次阅读

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摘要：研究了超级电容快速充电方法，分析了恒功率快速充电的原理，并通过比较恒电流和恒功率两种方法，证明了恒功率充电更有利于实现快速充电。根据恒功率充电原理，制作了快速充电样机。实验表明该样机电路稳定，能够实现快速充电要求，具有良好的实用前景。

1 系统设计理论分析

1.1 超级电容充电模型

容性部分由下列方程式决定：

所以充电或者放电时的总电压改变量为：

超级电容最重要的参数是ESR和电容值的大小(可以从产品手册上获知)。式(1)为超级电容充电的理论模型。

1.2 恒流充电与恒功率充电

1.3 恒功率充电实现原理

Vout=Vin×D×n

电路设计好后，Vin

和变比n不变，可通过调节占空比来调节输出电压。如图2所示曲线1对应的充电电流大于曲线2对应的充电电流。R、S对应的波形是RS触发器复位和置位端波形。根据峰值电流控制原理，每个开关周期之初，时钟脉冲置位RS触发器，使开关管导通，电感电流逐渐增加，当检测到电流信号is大于指令电流ic时，电流比较器翻转并复位RS触发器，这时开关管被关掉，变压器停止传输功率，扼流圈电流由续流二极管续流。通过峰值电流控制，当电流增大时，PWM占空比减小，根据输出电压的计算式可知输出电压也减小，从而使得输出电压和输出电流乘积(即输出功率)保持不变，这就是恒功率充电的基本原理。

2 硬件系统设计

2.1 双管正激电路

双管正激电路是一种可靠的DC-DC电路，广泛使用于低压大电流场合中，双管正激拓扑如图4所示。如果电路工作在CCM方式，假定MOS开关管Q1、Q2漏源电容电压为零，则漏源电压就能瞬时变化。如图5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管栅源驱动信号，两者时序相同，即Q1、Q2同时开通、同时关断。

2.2 电流电压双闭环控制回路

本设计中采用双闭环的结构实现充电电流和充电电压的控制，使用ST公司的UC3844A

控制芯片。UC3844A是一款高性能电流型PWM控制器，其内部结构如图6所示；内部有一个误差放大器和电流放大器可以方便地组建电流电压双闭环，在实际使用中，为了具有更快的响应速度，可略去误差放大器，使用电压调整器TL431和光耦PC817构成电压反馈。电流环通过使用LEM公司的电流传感器LAH 25-NP来组建。

3 整机调试

本文研究了超级电容的充放电特性，分析了快速充电的方法，设计并实现了快速充电样机，试验表明充电时间短，达到了应用要求。

范文三：风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真

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风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真

摘要:本文根据超级电容的性质及风力机变桨系统运行特性，设

计了一种带有浮充平台的级联BUCK电路。根据计算的参数在

MATLAB/simulink中搭建模型并进行仿真实验，充分验证了对超级电

容先恒流后恒压充电的设想。

关键词:变桨系统，浮充平台，级联BUCK电路，先恒流后恒压

充电。

Abstract:In this paper, according to the nature of super capacitor and the wind turbine pitch system operating characteristics, a floating platform cascade BUCK circuit design. Build a model based on the parameters calculated in MATLAB /simulink and simulation experiment, fully validated for after the first constant-current constant-voltage charging the super capacitor idea.

Keywords: pitch systems, floating platform, cascade BUCK circuit, after the first constant-current constant-voltage charging.

0 引言

超级电容具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、

无污染等诸多优点，因此在太阳能、风能发电系统的储能装置，军事

航天领域，工业领域的后备电源，电动汽车领域等得到了广泛的应用

[1]。与超级电容配套的充电系统的设计显得尤其重要，充电机的好坏

直接影响超级电容的充电的效率，及其使用寿命。

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本文针对超级电容在风力发电机变桨备用电源中的应用，分析了超级电容的存储特性，设计了带有浮充平台的级联式BUCK充电电路

真。验证了此充电电路的高效稳定的特性。

1 超级电容特性

超级电容存储的能量可表示为

E=C2 2 (1-1) U/

式中 E—超级电容所存储的能量;

C—超级电容的电容量;

U—超级电容的端电压

由上式可知，超级电容所存储的能量与电容的电容量和端电压有关。

超级电容在充电的过程中，充电开始和结束的时刻，超级电容的端电压会出现?U的突变，如图1所示。该现象影响了超级电容的有效储能，并随着充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。

[2]，利用matlab/simulink对充电电路搭建模型并进行了限压恒流充电及恒压充电的仿

图1 充电过程的端电压特性示意图

在超级电容充电过程中，假设超级电容采取恒流充电方式，电容C不随超级电容的端电压变化，则存储的能量是电容C和等效串联电阻R的函数，任意时间t时刻，超级电容所存储的能量可表示为:

2 Et=Q / 2 (1-2) tUt/2=CtU

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式中 Qt—超级电容t时刻的电荷量;

Ut—超级电容t时刻的端电压

当初始端电压为????时

Ih+U Ut=U t ) (1-3) i+Rscc (

式中 Ich—恒定充电电流;

Rs—等效串联电阻

Uc(t)为超级电容容量C和恒流充电时间?t的函数，即

It/C (1-4) Ut(t)=cΔh

C—等效的理想电容

RS—等效的串联电阻

—等效的绝缘电阻

风力发电机组变桨系统在使用超级电容作为备用电源时，为了获得足够的能量和电压，超级电容一般串联使用。所以超级电容的串联内阻较大，在大电流充电结束时，端电压会出现明显的回落现象，相应的有效储能就会降低。 2 超级电容的充电方法研究及拓扑设计

2.1超电容充电方法研究

通过上面的分析可知，为减小超级电容在充电结束时端电压的突变以保证超级电容后备电源中获得足够的电量和电压，应在充电结束前对其进行小电流充电。同时要保证充电前期的快速性，在满足上述要求的情况下，力求控制简单方便，因此设计了采用两阶段充电的方——————————————————————————————————————

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式[3]。首先采用恒流限压充电方式，控制电压，保证恒流输出，采用大电流以节省充电时间，保证高效率;恒流结束后转入恒压浮充，小电流充电可以使超级电容组在断电瞬间的电压回落减小，有效的促进超级电容内部电荷的均化过程，提高了实际充入超级电容的内部的有效电量，更大的程度上发挥超级电容的容量[4]。

2.2超级电容充电机拓扑设计

设计中，风力发电机变桨系统供电是380V三相交流电压，经整流滤波后，得到近乎稳定的直流母线电压，经过DC/DC变换后得到稳定的电压和电流输出，由于输入的直流母线电压要大于超级电容的最终的电压值，一次选用降压斩波电路。

采用传统的单极BUCK电路对超级电容进行恒流充电，母线输入电压为560V，初始充电时，由于超级电容本身的内阻非常小，端电压很低，这就要求BUCK的占空比很小，过小的占空比会引发一系列问题。

本设计中为了避免初始充电时占空比小引起的问题，同时能够根据超级电容组端电压的变化而随之改变电压，本设计中主充电电路采用级联式的BUCk电路结构，增加的一级BUCK电路提供一个有源浮充平台，分去部分输入电压，作为调压和储能的缓冲单元，将会实时的改变对超级电容的充电电压。

图2 充电的主电路

Main circuit of charger ——————————————————————————————————————

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前级BUCK电路由浮充电容C1、浮充电感L1、开关管S1和二级管D1组成。浮充平台的作用是通过调整开关管S1的占空比，改变浮充电容两端的电压，达到扩充占空比，同时可实现跟随超级电容的电压的目的。根据上述分析，本设计充电结构如图所示，前级BUCK电路用于调整对超级电容的充电电压，以保证对超级电容的低压差;后级BUCk电路则控制恒定的电流充电。

3 超级电容充电电路的matlab仿真

利用matlab-simulink中的simscope-simpower systems模块，对充电器的主电路及控制回路进行了仿真。

主电路设计

图3 主电路设计

设计要求:超级电容容量15F，超级电容额定电压450V，额定充电电流10A。级联BUCK电路相关参数计算:

滤波电容C1计算:

为方便计算，本设计充电电输出功率为P，将其直流侧输入端等效为纯电阻，则

R=U2

m/P (4-1)

整流后的直流电压存在波动，假设????的波动幅度为a%,则

urmin=Um(1-a%) (4-2)

设电容的初始电压为Uc(0+)=UM，则电容电压可表示为Uc=UMe-t/τ，根据上述分析，得到的直流母线电压波动小于a%，则——————————————————————————————————————

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所选取的电容值应满足UMe-t/τ?UM(1-a%)，则C?tf/Rln(1/(1-a%))。

本设计中，已知充电电路的输出功率为P=5000W，Um=400V，f=50Hz，T=0.02s，假设a=5%，由式4-1得R=32Ω。

通过以上各式得出电容值C?1450μF，考虑到输入电压的波动，因此电容值要留有一定的裕量，在本设计中电容值为1650μF。

为了得到平滑的直流输出，输出端通过LC滤波电路滤除开关管输出的脉动直流中的交流成分。一般采用一级LC滤波，若输出要求更小的纹波时，可以通过两级LC滤波电路。LC滤波参数的选择必须适当，滤波时间常数越大，不仅滤波电路的体积和重量过大，而且滤波电路引起的相位滞后变大，采用闭环波形反馈控制时，整个系统的稳定性越差[5]。反之，滤波参数选得过小，系统中的高频分量得不到很好的抑制，输出电压不能满足波形失真度的要求。因此，选择滤波器参数时，要综合考虑这两方面的因素。滤波电路在设计时应首先进行电感的设计，然后再进行电容的设计[6]。

在高功率的应用中，变换器应避免工作在电感电流不连续的状态，因此应按照下式计算输出滤波电感

L?(Vcharge-Vo)D

2Iofs (4-3)

式中 Vcharge—充电电压;

Vo—超级电容组端电压;

fs—开关管工作频率;

Io—额定输出电流;

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D—占空比

在充电器工作时，通过控制前级Buck电路中开关管S1的占空比，使得充电电压与超级电容组端电压之间满足大约为100V的压差，在额定充电电流为20A，开关管工作频率为10kHz，最大占空比为96%的前提下，计算得到输出滤波电感，并在考虑一定裕量的前提下，本设计中的选取两个输出滤波电感均为50mH。

输出滤波电容的作用是稳定前级Buck电路输出电压值，在满足纹波要求的前提下，其值可以选的相应大一些，同时也减小了输出阻抗，有利于提高级联结构的稳定性，因此选用电容容量为1350uF。

电压环设计:

图4 电压环设计

电流环设计:

图5 电流环设计

4 参数设置及仿真结果

4.1 仿真模型参数设置

电源参数:仿真采用三相理想电源，电压380V，功率为无穷大。

浮充平台:浮充电容C1=1.65mF，浮充电感L1=5mH，后级BUCK电容C2=1.35mF

，

滤波电感L2=5mH。电容负载:容量C=15F，等效内阻R=78.1mΩ。

控制回路参数:电流环:P=100，I=10

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电压环:P=150，I=15

4.2 仿真结果分析

仿真过程分两个阶段，起始阶段限压恒流充电，当电容电压达到400V时，实现恒压浮充充电，将电容充电到饱和。

开始仿真，首先电压环检测超级电容电压，使浮充平台电容C2两端与超级电容两端始终有50V的电压差，电流环控制后级BUCK电路，将充电电流维持在10A，这样就实现了对超级电容的限压恒流充电。仿真结果如图所示。

图6 充电初始阶段限压恒流充电仿真

当电容电压升到400V时，浮充平台C2两端电压限制到450V，电压不再升高，电流环依然控制电流在10A左右，直至失去调节作用，达到对超级电容的恒压浮充状态。充电如图所示。

图7 恒压浮充电路

5. 结语

本文研究了一种新型的超级电容充电路，并对其进行了仿真，实现了对超级电容的先恒流后恒压充电的设想，控制准确，充电效率高，验证了充电电路的可行性。

参考文献

[1] 苏谢祖,颜钢锋.一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计[J].电子技术应用 2010,8(73):70-82.

[2]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2011.10.

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[3]李忠学,彭启立,陈洁.超级电容端电压动态特性的研究.电池[J].2005,35(2):85-86.

[4]马奎安,陈梅.超级电容器储能系统充电模式控制设计[J].2010,27(7):85-88.

[5]王贤泉,郑中华.超级电容器充放电特性研究[J].船电技术控制技术. 2011 (4): 54-56.

[6]袁芳革.串联超级电容器组恒流-恒压式快速均压充电策略[J].电源世界, 2010(9):

45-47.

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范文四：风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真

风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真

摘要：本文根据超级电容的性质及风力机变桨系统运行特性，设计了一种带有浮充平台的级联BUCK电路。根据计算的参数在MATLAB/simulink中搭建模型并进行仿真实验，充分验证了对超级电容先恒流后恒压充电的设想。

关键词：变桨系统，浮充平台，级联BUCK电路，先恒流后恒压充电。

Abstract：In this paper, according to the nature of super capacitor and the wind turbine pitch system operating characteristics, a floating platform cascade BUCK circuit design. Build a model based on the parameters calculated in MATLAB /simulink and simulation experiment, fully validated for after the first constant-current constant-voltage charging the super capacitor idea.

Keywords: pitch systems, floating platform, cascade BUCK circuit, after the first constant-current constant-voltage charging.

0 引言

超级电容具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、无污染等诸多优点，因此在太阳能、风能发电系统的储能装置，军事航天领域，工业领域的后备电源，电动汽车领域等得到了广泛的应用[1]。与超级电容配套的充电系统的设计显得尤其重要，充电机的好坏直接影响超级电容的充电的效率，及其使用寿命。

本文针对超级电容在风力发电机变桨备用电源中的应用，分析了超级电容的存储特性，设计了带有浮充平台的级联式BUCK充电电路

真。验证了此充电电路的高效稳定的特性。

1 超级电容特性

超级电容存储的能量可表示为

E=C2 2 （1-1） U/

式中 E—超级电容所存储的能量；

C—超级电容的电容量；

U—超级电容的端电压

由上式可知，超级电容所存储的能量与电容的电容量和端电压有关。

[2]，利用matlab/simulink对充电电路搭建模型并进行了限压恒流充电及恒压充电的仿

图1 充电过程的端电压特性示意图

在超级电容充电过程中，假设超级电容采取恒流充电方式，电容C不随超级电容的端电压变化，则存储的能量是电容C和等效串联电阻R的函数，任意时间t时刻，超级电容所存储的能量可表示为：

2 Et=Q / 2 （1-2） tUt/2=CtU

式中 Qt—超级电容t时刻的电荷量；

Ut—超级电容t时刻的端电压

当初始端电压为Ui时

Ih+U Ut=U t ) （1-3） i+Rscc (

式中 Ich—恒定充电电流；

Rs—等效串联电阻

Uc(t)为超级电容容量C和恒流充电时间?t的函数，即

It/C (1-4) Ut(t)=cΔh

C—等效的理想电容

RS—等效的串联电阻

—等效的绝缘电阻

风力发电机组变桨系统在使用超级电容作为备用电源时，为了获得足够的能量和电压，超级电容一般串联使用。所以超级电容的串联内阻较大，在大电流充电结束时，端电压会出现明显的回落现象，相应的有效储能就会降低。

2 超级电容的充电方法研究及拓扑设计

2.1超电容充电方法研究

通过上面的分析可知，为减小超级电容在充电结束时端电压的突变以保证超级电容后备电源中获得足够的电量和电压，应在充电结束前对其进行小电流充电。同时要保证充电前期的快速性，在满足上述要求的情况下，力求控制简单方便，因此设计了采用两阶段充电的方式[3]。首先采用恒流限压充电方式，控制电压，保证恒流输出，采用大电流以节省充电时间，保证高效率；恒流结束后转入恒压浮充，小电流充电可以使超级电容组在断电瞬间的电压回落减小，有效的促进超级电容内部电荷的均化过程，提高了实际充入超级电容的内部的有效电量，更大的程度上发挥超级电容的容量[4]。

2.2超级电容充电机拓扑设计

图2 充电的主电路

Main circuit of charger

3 超级电容充电电路的matlab仿真

利用matlab-simulink中的simscope-simpower systems模块，对充电器的主电路及控制回路进行了仿真。

主电路设计

图3 主电路设计

设计要求：超级电容容量15F，超级电容额定电压450V，额定充电电流10A。级联BUCK电路相关参数计算：

滤波电容C1计算：

为方便计算，本设计充电电输出功率为P，将其直流侧输入端等效为纯电阻，则

R=U2

m/P （4-1）

整流后的直流电压存在波动，假设ur的波动幅度为a%,则

urmin=Um(1-a%) （4-2）

设电容的初始电压为Uc(0+)=UM，则电容电压可表示为Uc=UMe-t/τ，根据上述分析，得到的直流母线电压波动小于a%，则所选取的电容值应满足UMe-t/τ≥UM(1-a%)，则C≥tf/Rln(1/(1-a%))。

本设计中，已知充电电路的输出功率为P=5000W，Um=400V，f=50Hz，T=0.02s，假设a=5%，由式4-1得R=32Ω。

通过以上各式得出电容值C≥1450μF，考虑到输入电压的波动，因此电容值要留有一定的裕量，在本设计中电容值为1650μF。

在高功率的应用中，变换器应避免工作在电感电流不连续的状态，因此应按照下式计算输出滤波电感

L (Vcharge-Vo)D

2Iofs （4-3）

式中 Vcharge—充电电压；

Vo—超级电容组端电压；

fs—开关管工作频率；

Io—额定输出电流；

D—占空比

电压环设计：

图4 电压环设计

电流环设计：

图5 电流环设计

4 参数设置及仿真结果

4.1 仿真模型参数设置

电源参数：仿真采用三相理想电源，电压380V，功率为无穷大。

浮充平台：浮充电容C1=1.65mF，浮充电感L1=5mH，后级BUCK电容C2=1.35mF

，

滤波电感L2=5mH。电容负载：容量C=15F，等效内阻R=78.1mΩ。

控制回路参数：电流环：P=100，I=10

电压环：P=150，I=15

4.2 仿真结果分析

仿真过程分两个阶段，起始阶段限压恒流充电，当电容电压达到400V时，实现恒压浮充充电，将电容充电到饱和。

图6 充电初始阶段限压恒流充电仿真

图7 恒压浮充电路

5. 结语

参考文献

[1] 苏谢祖,颜钢锋.一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计[J].电子技术应用 2010,8(73):70-82.

[2]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社,2011.10.

[3]李忠学,彭启立,陈洁.超级电容端电压动态特性的研究.电池[J].2005,35(2):85-86.

[4]马奎安,陈梅.超级电容器储能系统充电模式控制设计[J].2010,27(7):85-88.

[5]王贤泉,郑中华.超级电容器充放电特性研究[J].船电技术控制技术. 2011 (4): 54-56.

[6]袁芳革.串联超级电容器组恒流-恒压式快速均压充电策略[J].电源世界, 2010(9):

45-47.

范文五：充电机IBCE-8600

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充电机特性检测设备

本设备安全按照电力行业标准DLT724-2000，实现对变电站直流电源系统中充电机的稳压精度、稳流精度和纹波系统等各项参数的检测，满足变电站/发电厂对充电机（整流器、充电装置）日常维护检测需要。运行实践证明，随着直流电源装置运行时间的推移，特别是投运1～3年后，其技术指标都会发生偏移，普遍的问题的是：充电机指标下降，造成稳压精度、稳流精度及纹波系数超标及蓄电池容量下降。同时，现场检测人员不具备相应的检测设备，无法及时发现、解决以上出现的问题，长期下去将导致整个直流系统提前失效或损坏，直接威胁电网的安全运行。IBCE-8600 帮助您有效查找充电机故障隐患。

主要技术参数

1. 工作电源：交流220V ±15％频率50HZ

2. 功率消耗：不大于50w

3. 环境温度：-20℃＋55℃

4. 输入功率：13KW ，

5. 额定电流：15A

6. 额定放电电流：≤60A

7. A/D精度：≤0.1％

USB 、RS232

主要功能：

1、电压稳定精度及纹波系数测试

自动测试直流电源的负载电流、直流电压、稳压精度、纹波系数等参数。

2、直流稳定精度功能

自动功能测试充电电压、负载电流、稳流精度、脉冲峰值、脉冲谷值、电压平均值、稳压精度、输出电压波动极限

值、稳流精度等参数。

3、放电测试功能

测试放电全过程，放电完成后，根据记录描述放电曲线。

4、放电报警功能

在放电过程中，如电池组端电压小于报警电压，装

置音响报警提示用户，并在界面显示报警信息。

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5、自动终止放电功能

若在放电过程中，如电池组端电压小于终止电压，为防止过放电，程序即可终止放电，装置声音报警提示用户，

并在界面显示报警信息。

6、手动终止放电功能

若在放电过程中，如用户需要终止放电可在界面选择“终止放电”键，程序即可终止放电。

7、时钟显示及对时功能

实现时间和电流关系，确定容量值。

8、数据存储及USB 转存功能

设备检测数据可自动保护在内置硬盘上，可通过U 盘转存

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