如何快速充电超级电容器

摘要

超级电容器(或超级电容器)适用于短充放电周期。它们需要大电流快速充电以及高电压与高数字串联显示在两个使用情况:自动托盘穿梭和故障安全备份系统。在这些和许多其他情况下，快速充电是由灵活，高效，高压，大电流充电器提供的，基于同步，降压，超级电容器充电器控制器。

简介

超级电容器(或超级电容器)由于其与电池相比的独特优势，在各种应用中越来越多地使用。超级电容器的工作原理是静电，没有化学反应，避免了与电池化学储存有关的寿命问题。它们的高耐久性允许数百万次充放电循环，寿命长达20年，比电池高出一个数量级。它们的低阻抗使快速充电和放电在几秒的顺序。这一点，再加上它们在长时间内保持电荷的中等能力，使得超级电容器成为需要短充放电周期的应用的理想选择。它们也与电池并联使用，在负载转换期间需要瞬时峰值的电力传输的应用中。

超级电容器的短充放电周期要求充电器能够处理大电流。充电器在充电过程中必须平稳地工作在恒流(CC)模式下，通常从0V开始充电，一旦达到最终输出值，就必须平稳地工作在恒压(CV)模式下。在高压应用中，许多超级电容器串联在一起，要求充电器管理高输入和输出电压。

在本设计方案中，我们将讨论两个用例:存储设施中的自动托盘穿梭器和故障安全阀执行器中的短时间备份系统(图1)。随后，我们将介绍一种同步降压超级电容器充电器，由于其高输出电流和宽输入输出电压范围的操作，可以处理大量的工业和消费应用。

仓库自动化托盘穿梭机。

图1。仓库自动化托盘穿梭机

案例研究:自动托盘穿梭机

一个现代化的仓储设施由一个或多个货架单元组成，在不同的层次上有大量的通道来存储数千个托盘。一个转移车服务于每个存储通道，而一个机动穿梭移动托盘在通道内来回。

自动托盘梭是一个理想的应用，使用超级电容作为其主要电力来源。超级电容器在换乘车上几秒钟内就能快速充电。航天飞机在通道内的自主飞行仅持续几秒钟，每次飞行所需的能量有限，由超级电容器供电。航天飞机随时可用，可以一天24小时连续运行，确保高耐用性，无需任何维护。

图2显示了基于两个额定400F和2.7V的超级电容器串联的电力系统。超级电容器集合在托盘穿梭机上，而充电器已经在转移车上。充电器从V中获取电力公共汽车= 24 v。在航天飞机飞行之间的对接时间，它以电压V = 5V为200F超级电容器集成(C)充电，存储电荷:

Q = C × V = 200 × 5 = 1000库仑

在20A的充电电流下，超级电容器将在t = 50s (Q/I)的时间内充电。托盘梭上的升压转换器将5V的输入电压提升到VM = 12V，以帮助用5A电流驱动电机。忽略损耗，升压变换器输入电流为:

方程1。

该电流将放电超级电容器在以下速度:

方程02。

假设升压变换器输入UVLO为3V，电容器放电范围为ΔV = 2V。因此，升压转换器将驱动电机一段时间:

方程03。

超级电容器为自动托盘穿梭机供电

图2。超级电容器为自动托盘穿梭机供电。

在充/放电(t + t)周期为83秒的情况下，单个托盘梭理论上可以支持每小时43个托盘的移动。

案例研究:故障安全阀执行器备份

在油气流量控制工业应用中，电源故障有可能导致执行器卡在工作位置，导致不安全条件、事故或设备损坏。如果电源中断，故障安全阀执行器备份系统自动将阀门恢复到安全的紧急位置。在传统的解决方案中，返回到安全位置是由机械弹簧来完成的。使用超级电容器，如果发生电源故障，执行器可以移动到特定的紧急位置，能量存储在超级电容器中。超级电容器需要更少的空间，没有移动部件，确保储能具有较长的使用寿命和低维护。

图3显示了基于10个额定3400F和2.7V的超级电容器串联的电力系统。在正常操作期间，48V总线降至24V，为执行器驱动器供电，同时为340F超级电容器集成(C)充电。

在电源故障的情况下，340F超级电容为10A负载(I)供电，放电速率为0.03V/s (I/C)，放电范围ΔV = 10V，执行器可以驱动330秒，有足够的时间将执行器移动到指定的紧急位置。

超级电容驱动的故障安全阀执行器。

图3。超级电容驱动的故障安全阀执行器。

超级电容充电器解决方案

作为一个例子，MAX17701是一种高效、高电压、同步、降压、超级电容器充电器控制器，设计用于在4.5V至60V的输入电压范围(VDCIN)内工作。输出电压从1.25V到(VDCIN - 4V)可编程。该器件使用外接N-MOSFET提供输入供电侧ORing功能，防止超级电容器放电回输入。图4显示了一个24V在v / 5出/20A应用电路，用于图2中前面讨论的托盘穿梭应用。

带输入短路保护的5V/20A超级电容充电器。

图4。带输入短路保护的5V/20A超级电容充电器。

图5显示了该应用电路在24V输入和5V输出时的效率。也显示了8V和12V输入电压。

5V/20A超级电容充电效率。

图5。5V/20A超级电容充电效率。

24V输入5V输出，在托盘穿梭使用情况下，充电器效率极好(> 90%)。第二种应用所采用的输入电压为48V(> 85%)，效率也很好。

IC对超级电容进行±5%精度的恒流充电(如图6中的CC模式)，超级电容充电后，设备空载输出电压调节±1%精度(CV模式)。

充电器电流电压配置。

图6。充电器电流电压配置

IC提供了一个安全定时器(TMR)功能，以设置最大允许恒流(CC)模式充电时间。它工作在−40°C至+125°C的工业温度范围内，采用24针4mm x 4mm TQFN封装，带有外露衬垫。

结论

超级电容器的独特特性使它们成为短充放电周期的理想选择，如我们讨论的两个案例研究所示:现代存储设施中的自动托盘穿梭器和故障安全阀执行器备份系统。短周期需要高充放电电流，而串联使用超级电容器导致可能的输入和输出充电器电压范围大，这取决于电容器的数量。因此，我们提出了一种灵活的充电器架构，具有大电流和高输入/输出电压，可以处理各种各样的应用。

该设计解决方案的类似版本最初出现在2020年9月的How2Power上。