【原创】超级电容后备储能应用简易充放电电路

超级电容是一种介于传统电容器与化学电池之间、具有特殊性能的储能元件，适应温度范围广，自放电率低，电压保持时间长，充放电性能好，可大电流充放电，且其充放电寿命达十万次以上，因此在多种储能领域得到了广泛应用。在大容量储能时，一般采用复杂的专业电源电路对超级电容进行充放电管理，但在许多小功率后备储能应用特别是板上电路等场合，专业充放电管理电源电路由于成本过高、体积过大而难以适用，本文介绍几种简易的超级电容充放电管理电路供设计者选用。

1.后备储能应用的特点

     

所谓后备储能应用，即在常态工况下，超级电容只是旁路在电源供电回路中，不参与负载供电，负载所需电能全部从电源输入端在线供应，只有在电源输入端供能不足或不能提供电能时，作为后备储能的超级电容才开始向负载补充供电，电源输入端恢复正常后，则对已经放电的超级电容及时充电，实现后备储能电容的能量补给。

如图所示后备储能应用示意，超级电容C_s的最大可能充电电压为V_i，因此其耐压应高于V_i，超级电容的实时储能容量为0.5*C_s*u²，所能提供的后备供电时间为：

t=0.5*C_s*（u²-U _L ²）/P_L

其中P_L为负载R_L的平均功率，U_L为负载的最低工作电压，即超级电容容量越大，充放电截止电压差越大，后备供电时间将越长，但其对充放电电路的要求也越高，在成本和体积允可的条件下，超级电容的充电时间应尽量短，放电容量需足够大。

2.限流电阻法

     

如图，通过电阻R_Z对超级电容充电回路的电流进行限制，以避免在超级电容电压极低时形成“短路”效应，产生过大回路电流，造成在线电源的损害或触发电源保护动作。同时为了降低限流电阻R_Z在超级电容放电时产生压降与电能损耗，在限流电阻上并联大电流单向放电二极管D_Z。

在超级电容电压为零时，充电回路的电流为i=V_i/(R_i + R_z)，该电流必需小于在线电源的最大允许负载电流，此时限流电阻的功耗为其运行工况中的最大值P_max= [V_i/( R_i + R_z)]²*R_z，所选择的限流电阻必需同时满足此时的回路电流大小和功耗散热要求。随着超级电容的电压上升，回路中的充电电流会快速减少，当超级电容电压达到80%电源端电压值时，其充电电流仅为初始充电电流的20%左右，充电效率明显降低。

该方法的优点是电路简单，实现方便。其缺点是充电效率很低，限流电阻上的电能损耗较大，发热严重，在超级电容容量较大时，限流电阻极易损坏，仅适用于超级电容容量较小的场合。

3.恒流充电法

     

恒流充电法采用buck功率变换类似拓扑电路，如图，当功率开关管K闭合时，在线电源通过电感L向超级电容C_s充电，并在电感L中产生电流而储存电能；当功率开关管K断开时，电感L通过续流二极管D形成电流回路将所储存电能释放给超级电容，从而完成一个开关周期的充电。控制功率开关管K的闭合时间与周期时间比（即占空比），即可以控制充电回路中的电流大小。放电时，通过电感L、功率开关管K的体二极管，超级电容C_s即可实现向负载R_L的单向自主放电。

该方法的优点是充电时效率高，电能损耗小，从超级电容电压为零充至最高电压期间均可保持最大的充电电流，充电速度快；回路中的最大充电电流可设定，器件选择容易，利用效率高；功率开关管K控制方便，易于实现优先负载供电利用富余电能充电的策略。其缺点是功率开关管K需采用高频PWM信号控制，好在其仅需控制充电回路中的最大电流且频率稳定度要求低，PWM信号实现容易，既可以采用成熟简单的PWM控制芯片，也可以采用分离器件搭建简易的开关振荡电路来完成。

4.泵电法

     

如图，泵电法就是把电能从在线电源取出并预先储存在一个小电容C_b上，待C_b电压上升到一定值时，闭合功率开关K，将C_b上的电能快速转移到超级电容C_s上，然后断开功率开关K，在线电源继续通过限流电阻R_b给小电容C_b充电，如此反复。当超级电容的电压充电至接近电源端电压u时，闭合功率开关K，由在线电源以较大电流持续给超级电容充电。

       泵电法的优点是限流电阻R_b的阻值和功率可以较小，充电时的电能损失也较限流电阻法要小得多，在超级电容初始电压为零时，电源端电压u也不会因超级电容的“短路”效应而被明显拉低，对于电流源形式的供电电源如CT取电来说，可以有效避免因端电压被拉低而降低在线电源的取电效率，系统的供电效率大大增强。

5.小结

     

超级电容自身的充放电性能好，不需要精确的充电截止电压和放电截止电压，并可适应较大范围的充电电流变化，因此在很多后备储能应用场合，均可采用简易的充放电管理策略。但没有储能的超级电容初始电压接近于零且内阻极小，具有“短路”效应，应用中必需采用严格可靠的限流措施对其进行管理，简易充放电电路既要保证超级电容的充电快速，又要保证电源及充放电回路的安全。