试析大功率超级电容智能充电机的设计曹伯文

试析大功率超级电容智能充电机的设计曹伯文

曹伯文

(普天新能源（深圳）有限公司广东深圳518057)

摘要:超级电容器是上世纪七十年代发展起来的一种免维护、环保型的储能硬件，介于传统的静电电容器与化学电池之间，具有充电时间短、寿命长、温度特性好、环保等优势。据悉，超级电容器发展至今，其容电量已经涨至传统静电电容器的2000-6000倍，也因此，超级电容器多被用于需要超大电流、超高效率的设备中，在我国社会发展中占据着越发重要的作用。文章探讨了大功率超级电容智能充电机的设计。

关键词:超级电容；大功率；智能充电

前言：目前，我国就超级电容相关领域应用研究较多，如：充电效率、智能充电、充放电特性等，但是相关文献却相对较少。目前，我国应用大功率开关电源时，当高频、大电流处于连接状态，依然会被电磁干扰，影响电网运行，影响电路稳定；并且，当相关设备输出大功率时，开关依然会处于严重损耗状态，导致设备功率与效率受到不良影响[1]。对此，文章探讨了大功率超级电容智能充电机的设计，以此保障大功率设备的稳定工作。

1、超级电容器在国内外发展状况

世界经济环境的影响，电容器产业所需要的能源、材料、劳动力等不断增加成本，电子元件行业想要在市场上脱颖而出，创新成为重点。目前，片式化、小型化、复合化、高精度、高可靠性已经成为世界电子元件发展趋势，为适应这一趋势，我国电容器逐渐加快了向小型化、片式化的前进步伐[2]。据悉，美国弗罗里达大学的纳米科学技术中心在2016年10月发表的研究论文中写道，新型可弯曲超级电容诞生，安装该超级电容，手机充电几秒钟，可维持一周以上电量，相信这项技术会对世界产生较大影响。

2、大功率超级电容智能充电机的系统构成与工作原理

2.1、智能充电机的系统构成

充电机系统中主要包含有主电路与控制电路，其中，主电路由滤波电路、三相桥式整流电路、全桥式变换器构成；控制电路中包含有主控制芯片、IGBT驱动模块、CAN通信模块、数据采集模块、显示模块、保护电路模块、故障报警模块、案件电路等[3]。

2.2、智能充电机的工作原理

实际上，充电机主电路工作原理如下，充电机通过主电路中的各个部分，将市电由交流向直流再交流再直流的转化，将市电转化为用户需要的直流电压。其中，三相桥式整流电路主要负责将市电转化为含有脉动的直流电；IGBT全桥逆变电路主要功能是使IGBT轮流导通，将直流电转变为方波，并送至高频变压器输入端口；由高频变压器转化为交流电压，后经过整流与滤波电路，将其转化为用户所需要的直流电，保障用户高质量用电。而控制电路的工作原理主要包含有充电控制电路、数据采集电路、系统保护电路以及人机交互电路，其中，充电控制电路主要是进行预充电并控制通信模块读取超级电容电池需求信息，以此确定最佳充电方式、充电电流与电压等，将信息通过显示模块展现给用户，用户确定后，充电正式开始；数据采集电路主要利用传感器收集相关信息，如：充电机使用的环境温度、充电机输出电压等，将信息上传到单片机，为充电控制通过依据；系统保护电路主要重视的是缺相、短路、欠压、过压等可能出现的故障，一旦故障产生，单片机会及时作出判断，停止充电，发出报警信号；人机交互包括了按键的设置、充电机实时状态的显示等，实现了智能充电机的手动充电，合理改变充电电流，保障了智能充电机运行的安全性。

2.3、智能充电机的主要功能

手动充电或智能充电功能，人机交互功能，CAN通讯功能，故障诊断与预警功能，保护功能。

3、大功率超级电容智能充电机的设计

3.1、主充电电源与驱动控制设计

主充电电源模块结构主要是由几部分组成，具体见图1，当380V市电输入充电机后，将会经过以下路线，在经过LC滤波器时，市电将会被转化为平滑的510V的直流电压，后经过全桥式变换器，最终将电流转换为适合用户应用的电流，输入进超级电容中。

图1全桥式变换器主充电电源模块结构

3.2、全桥变换器与驱动控制

为降低电磁干扰大功率设备稳定运行，在设计智能充电机时，需要在电流输入端添加EMI滤波器，将变换器连接无源钳位电路，最大程度让工作环境处于零电流、零电压状态。并且，利用无源钳位电路，抑制整流二极管中的尖峰电压，保障电路的稳定性，因无源钳位电路起到的效果直接代替了缓冲电路，可直接将缓冲电路取消。驱动控制设计时，采用IGBT专用驱动芯片IR2233，并将电容与二极管并联，实现零电压开关。

3.3、保护电路的设计

首先，缺相保护电路由三部分构成，整流二极管、光耦、门芯片，与门输出电平为高电平，若充电机出现故障，则与门会输出低电平，此时，控制器能够通过检测引脚发现故障，并直接控制制动开关自动关闭，控制报警器报警。过流保护电路有两种保护功能，IGBT、充电机输出端两种，并且，想要实现保护功能的效率，离不开检测电流。短路保护由两部分构成，翻转阈值为零的比较器、与门芯片，当继电器正常工作时，与门输出电平为高电平，若与门输出电平为低电平，则代表继电器出现短路故障，输出低电平，继电器停止为短路故障，故障由人机交互模块显现。

4、控制系统软件设计

4.1、设计控制系统主程序

图2充电机程序图

在系统硬件设计完毕之后，设计人员应先将设计产品初始化并进行质量检测，让硬件系统执行自检功能，保障硬件各方面功能与质量。之后，将软件程序与硬件有机结合，依次调用各个程序，若各个部位运行良好，可直接检测设备充电前与充电之后的状态，将检测数据存储进相应程序中，便于用户查询历史数据，提高智能充电机的使用寿命，降低故障发生几率。

4.2、故障自诊断子程序

设计人员必须保障，智能充电机具备故障自诊断功能，保障设备一旦出现故障，系统能够快速响应，通过人机交互模块发出预警，并显示故障原因，以便技术人员快速检查，尽最快速度将智能充电机恢复至工作状态。

5、试验验证

在大功率超级电容智能充电机的硬件模块与软件系统设计完毕后，试验验证设计的产品非常重要。首先，对充电机系统恒流、恒压恒功率等的输出进行检测，以此观察充电机运行是否稳定，观察上述三点的稳定精度，最终测试结果：充电机稳定性0.45%上下波动，相关规定表示，若充电机将稳定精度控制在0.5%以下，则代表充电机处于稳定运行状态，几乎不受电磁影响。其次，智能充电机的充电效率是需要验证的重点，在验证这一点时，相关人员选用相应设备直接测量充电机的工作效率，结果发现，在不同输出功率之下，充电机的工作效率会出现变化，当充电输出功率在5kW时，充电效率最高，为92.4%，本次设计的产品最低充电效率为90.4%，总而言之，充电效率都处于较高状态，可见本次智能充电机的设计成功，可投入使用。

参考文献：

[1]邓莹,王林凤,蒋猛.大功率超级电容智能充电机的设计[J].电子技术应用,2016,42(12):126-129.

[2]王野,姜万东,叶佳虹,等.一种新型超级电容模组充电电源设计[J].电气技术,2017,18(5):109-112.

[3]代娟.超级电容智能充电机的研制[D].西南大学,2013(11):135-135.