Решение для зарядки суперконденсаторной батареи

Показана блок-схема высокоэффективного решения, в котором нагрузкой является устройство, которому требуется стабильное входное напряжение (3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д.). Источник питания 48 В питает нормально работающий импульсный стабилизатор 2 (SW2) при зарядке батареи суперконденсаторов через импульсный стабилизатор 1 (SW1) до напряжения 25 В, когда основное питание отключено, батарея суперконденсаторов подает питание на SW2 для поддержания непрерывной работы. нагрузки.

После выбора суперконденсатора системный инженер должен также выбрать целевое напряжение для зарядки суперконденсатора на основе кривой номинальных значений суперконденсатора. Большинство суперконденсаторов рассчитаны на 2,5–3,3 В при комнатной температуре, и этот рейтинг падает при более высоких температурах, что, в свою очередь, приводит к увеличению ожидаемого срока службы. Как правило, заданное значение целевого напряжения зарядки должно быть ниже максимального номинального напряжения, чтобы продлить срок службы суперконденсатора.

Затем вам нужно выбрать ожидаемое напряжение и топологию SW2 для батареи суперконденсаторов. Конфигурация батареи суперконденсаторов может быть последовательной последовательной комбинацией конденсаторов, параллельной, последовательной или параллельной. Поскольку номинальное напряжение конденсатора ячейки обычно меньше 3,3 В, а нагрузка часто требует равного или более высокого напряжения питания, вариант конфигурации конденсаторной ячейки и SW2 заключается в использовании одной конденсаторной ячейки с одним повышающим преобразователем или нескольких последовательно соединенных конденсаторных блоков с понижающий или понижающий-повышающий регулятор. Если используется повышающая конфигурация, мы должны гарантировать, что напряжение не упадет ниже минимального рабочего входного напряжения SW2, когда суперконденсатор разряжен. Это падение напряжения может составлять до половины напряжения зарядки суперконденсатора. С этой целью мы приводим пример батареи суперконденсаторов, состоящей из последовательной комбинации суперконденсаторов и простого понижающего регулятора (SW1). Затем, если этого требуют требования к энергии, несколько последовательно соединенных цепочек конденсаторов будут подключены параллельно.

Если выбрана последовательная комбинация суперконденсаторов, количество используемых конденсаторных ячеек должно быть выбрано на основе максимального ожидаемого напряжения в верхней части цепочки конденсаторов. Большая последовательная емкость означает, что цепочка суперконденсаторов имеет меньшую емкость и более высокое напряжение. Например, предположим, что вы решили использовать две цепочки конденсаторов, состоящие из четырех конденсаторов 2,7 В · 10 Ф, и одну цепочку конденсаторов, состоящую из восьми идентичных конденсаторов (последовательно). В то время как две конфигурации могут хранить одинаковый общий заряд и энергию, доступный диапазон напряжений цепочки конденсаторов делает выгодной одну последовательную цепочку. Например, если есть нагрузка, которая требует смещения 5 В, тогда SW2 требует напряжения около 6 В (с учетом его максимального рабочего цикла и других факторов перепада давления).

● Энергия в конденсаторе W = CV2 / 2, доступная энергия W = C / 2 (Vcharge2-Vdicharge2)

● Для двух цепочек конденсаторов по 4 конденсатора на цепочку доступная энергия W = 2 * [(10F / 4) / 2 * ((2,7 В * 4) 2-6 В2)] = 201,6 Дж.

● Для одной цепочки конденсаторов, содержащей 8 конденсаторов (последовательно), доступная энергия W = 1 * [(10F / 8) / 2 * ((2,7 В * 8) 2-6 В2)] = 269,1 Дж.

Поскольку две батареи конденсаторов могут хранить одинаковую общую энергию, тем ниже процент заряда / отключения цепочки конденсаторов с более низким напряжением. В этом случае для использования преимуществ суперконденсатора предпочтительнее использовать более высокое напряжение цепочки конденсаторов.

Третья системная проблема заключается в том, как заряжать батарею суперконденсаторов. Первоначально, когда напряжение суперконденсатора равно нулю, из-за высокого значения емкости SW1 должен работать в течение длительного времени в условиях, аналогичных условиям короткого замыкания на выходе. Обычный SW1 может застрять в дремлющем режиме и не может заряжать суперконденсатор. Для защиты суперконденсатора и SW1 требуется дополнительное ограничение тока в начале фазы зарядки. Удовлетворительное решение - позволить SW1 обеспечивать непрерывный зарядный ток в течение длительного периода времени при почти полном отсутствии выходного напряжения.

Есть много способов зарядить суперконденсатор. Постоянный ток / постоянное напряжение (CICV) является предпочтительным методом выбора, как показано на Рисунке 2 (кривая CIVE). В начале цикла зарядки зарядное устройство (SW1) работает в режиме постоянного тока, обеспечивая постоянный ток суперконденсатора, так что его напряжение увеличивается линейно. Когда суперконденсатор заряжается до заданного напряжения, контур постоянного напряжения активируется и точно контролирует уровень заряда суперконденсатора, чтобы поддерживать его постоянным, чтобы избежать перезарядки. Опять же, это приоритетное решение также отвечает требованиям к функциям управления питанием, которые необходимо учитывать при проектировании.

Взяв в качестве примера рисунок 1, в случае основного источника питания 48 В, напряжения батареи суперконденсаторов 25 В и напряжения нагрузки 3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д. Целесообразно выбрать функцию синхронного понижения для SW1. и SW2. Поскольку основная проблема связана с зарядкой суперконденсатора, выбор SW1 очень важен. Идеальное решение для SW1 требует, чтобы функции управления питанием работали при высоком входном (48 В) и выходном (25 В) напряжениях, обеспечивая модуляцию CICV.

Пример решения для зарядного устройства суперконденсатора

Чтобы проиллюстрировать поведение зарядки суперконденсатора, мы возьмем в качестве примера синхронный понижающий стабилизатор. Объясните его основные проблемы и решения, а также используйте экспериментальные формы сигналов, чтобы лучше понять.

На рисунке 3 показана упрощенная схема синхронного понижающего регулятора, реализующего режим CICV, управляемый ISL78268 Intersil. Чтобы зарядить батарею суперконденсаторов до 25 В под управлением CICV, при выборе контроллера учитывались следующие функции:

1. Синхронный понижающий контроллер, который может работать при VIN> = 48V и VOUT "= 25V.

2. Возможность регулировки постоянного тока и постоянного напряжения, которая может автоматически переключать режим регулировки.

3. Реализуйте точный вход измерения тока в диапазоне напряжения питания системы, чтобы перейти в режим CI. Ссылаясь на рисунок 3, контроллер определяет постоянный ток индуктора, то есть зарядный ток. Усилитель считывания тока контроллера должен выдерживать синфазное напряжение, которое в этом примере составляет 25 В.

Небольшая функциональная блок-схема синхронного понижающего контроллера ISL78268

На рисунке 4 показана небольшая функциональная блок-схема синхронного понижающего контроллера ISL78268. Как показано, есть два независимых усилителя ошибки, обозначенные Gm1 и Gm2, для достижения постоянного напряжения (Gm1) и постоянного тока (Gm2).

Усилитель ошибки Gm1 используется для управления с обратной связью CV. Он сравнивает напряжение обратной связи FB с внутренним опорным напряжением 1,6 В и выдает напряжение ошибки на выводе COMP. Вывод FB подключается от выходного напряжения к резистивному делителю и устанавливается на напряжение FB 1,6 В, когда выходное напряжение находится на ожидаемом уровне напряжения. Напряжение COMP тогда представляет собой разницу между ожидаемым выходным напряжением и фактическим выходным напряжением. Затем COMP сравнивается с током катушки индуктивности для генерации сигнала ШИМ, чтобы контролировать выходное напряжение, чтобы оно оставалось постоянным.

Усилитель ошибки Gm2 используется для управления замкнутым контуром CI. Он сравнивает напряжение на выводе IMON / DE с внутренним опорным напряжением 1,6 В и выдает напряжение ошибки на выводе COMP. Напряжение на выводе IMON / DE генерируется внутренне и представляет собой среднее значение нагрузки выходного тока катушки индуктивности. Следовательно, напряжение COMP активно, когда активируется контур Gm2 (диод между выходами Gm1 и Gm2 эффективно выбирает, какой контур активен), чтобы представить разницу между ожидаемым выходным током и фактическим выходным током. Затем COMP сравнивается с током катушки индуктивности для генерации сигнала ШИМ, чтобы контролировать выходное напряжение, чтобы оно оставалось постоянным.

В фазе зарядки, прежде чем напряжение суперконденсатора достигнет целевого напряжения, вывод COMP приводится в действие выходом Gm2 для генерации выходного сигнала ШИМ для управления CI. Когда напряжение суперконденсатора достигает целевого значения, зарядный ток уменьшается, что приводит к падению напряжения на выводе IMON / DE и отключению контура CI (когда IMON / DE "1,6 В), поэтому контур CV естественным образом берет на себя управление COMP, таким образом, поддерживайте постоянное выходное напряжение.

Понижающий контроллер ISL78268 имеет как ШИМ-контроллер в режиме пикового тока (надежный пошаговый модулятор пикового тока), так и внешний контур постоянного среднего тока, который идеально подходит для зарядки суперконденсаторов.

Теперь мы можем сосредоточиться на реализованной реализации зарядки суперконденсатора. На рисунках 5, 6 и 7 показаны экспериментальные формы сигналов синхронного понижающего контроллера, управляемого ISL78268 для зарядки батареи суперконденсаторов (12-полосный последовательный конденсатор 50F / 2.7V). Суперконденсатор будет заряжаться до 25В от сети.

На рисунке 5 показано несколько этапов зарядки суперконденсатора. Первоначально, в первой фазе, средний сигнал тока на выводе IMON / DE Vo составляет почти 0. ISL78268 не достиг 1,6 В (эталонное значение ожидаемого зарядного тока), поэтому контур CI еще не задействован. На этом этапе пиковый ток катушки индуктивности ограничивается циклом за циклом до фиксированного порогового значения OC. В начале фазы зарядки, когда VOUT находится на низком уровне (FB «0,4 В», максимальная частота переключения ограничивается 50 кГц, чтобы предотвратить упомянутую проблему разгона индуктора из-за ограничения пикового тока при низком VOUT.

На рисунке 6 показан увеличенный вид формы волны первой ступени. Фаза 2 начинается, когда напряжение на выводе IMON / DE (желтая кривая) достигает 1,6 В. На этом этапе включается петля CI и понижает сигнал COMP (голубая кривая), чтобы начать стабилизацию выходного тока и поддержание постоянного напряжения на выводе IMON / DE. Напряжение на выводе IMON / DE представляет собой измеренный средний выходной токовый сигнал. Форма сигнала IL (зеленая кривая) показывает, что средний ток регулируется на постоянном уровне в фазе 2. Форма волны выходного напряжения (розовая кривая) показывает, что суперконденсатор заряжается линейно постоянным зарядным током.

Фаза 3 начинается с напряжения 0,4 В, обнаруженного на выводе FB (рисунок 7). После этого триггера контур стабилизации постоянного тока будет полностью включен, поэтому частота переключения может быть автоматически отрегулирована до предварительно запрограммированного значения 300 кГц. На более высоких частотах переключения пульсации тока индуктора (зеленая кривая) значительно уменьшаются. Выходное напряжение (розовая кривая) продолжает линейно увеличиваться, указывая на то, что суперконденсатор линейно заряжен.

Возвращаясь к рисунку 5, третий этап заканчивается, когда Vo достигает целевого напряжения 25 В. В этот момент включается контур CV и стабилизируется выходное напряжение. Разрыв средней токовой петли. На рисунке 5 показано, что выходное напряжение (розовая кривая) ровное, а ток катушки индуктивности уменьшается, ток вывода IMON / DE, который представляет собой средний зарядный ток, также падает, указывая на окончание процесса стабилизации постоянного тока.

Заключение

Суперконденсаторы используются в качестве решений для хранения энергии в автомобильных, промышленных и потребительских товарах из-за присущих им физических характеристик по сравнению с традиционными батареями. Чтобы максимально увеличить запасаемую энергию батареи суперконденсаторов, лучшим решением часто является последовательное соединение нескольких ячеек суперконденсатора для достижения высокого группового напряжения емкости. При зарядке лучше всего использовать метод CICV, чтобы ограничить высокий ток, генерируемый низким ESR во время зарядки суперконденсатора, до постоянного напряжения. Постоянный ток также позволяет контролировать потерю заряда, что снижает количество выделяемого тепла и продлевает срок службы суперконденсатора. Следовательно, полезно, чтобы цепь зарядки выдерживала высокое напряжение и обеспечивала функции управления CICV.

Страница содержит содержимое машинного перевода.