如何為您的超級電容器快速充電

超級電容器（或超級電容器）適用于短充電和放電周期。它們需要高電流進(jìn)行快速充電，以及高電壓和高串聯(lián)數(shù)，如兩個用例所示：自動托盤穿梭車和故障安全備份系統(tǒng)。在這些和許多其他情況下，快速充電由基于同步降壓超級電容器充電器控制器的靈活、高效、高電壓和高電流充電器提供。

介紹

超級電容器（或超級電容器）由于其相對于電池的獨特優(yōu)勢，在各種應(yīng)用中的使用越來越多。超級電容器基于靜電原理工作，沒有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲相關(guān)的壽命問題。它們的高耐用性允許數(shù)百萬次充電/放電循環(huán)，使用壽命長達(dá) 20 年，比電池高一個數(shù)量級。它們的低阻抗可在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)快速充電和放電。這一點，再加上它們在長時間保持電荷的中等能力，使超級電容器成為需要短充電和放電周期的應(yīng)用的理想選擇。它們還與電池并聯(lián)使用，用于在負(fù)載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時功率輸送峰值的應(yīng)用中。

超級電容器的短充電和放電周期需要能夠處理高電流的充電器。充電器必須在充電期間以恒流 （CC） 模式平穩(wěn)工作，充電通常從 0V 開始，并在達(dá)到最終輸出值后以恒壓 （CV） 模式工作。在高壓應(yīng)用中，許多超級電容器串聯(lián)連接，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

在此設(shè)計解決方案中，我們將討論兩個用例：存儲設(shè)施中的自動托盤穿梭車和故障安全閥門執(zhí)行器中的短期備用系統(tǒng)。隨后，我們將介紹一種同步降壓型超級電容器充電器，由于其高輸出電流和寬輸入和輸出電壓范圍，可以處理大量的工業(yè)和消費應(yīng)用。

案例研究：自動托盤穿梭車

現(xiàn)代存儲設(shè)施由一個或多個貨架單元組成，這些單元在各個樓層上具有大量通道，用于存儲數(shù)千個托盤。轉(zhuǎn)運車服務(wù)于每個存儲通道，而電動穿梭車則在通道內(nèi)來回移動托盤。

自動托盤穿梭車是使用超級電容器作為其主要電力來源的理想應(yīng)用。超級電容器在上車時可在幾秒鐘內(nèi)快速充電。通道內(nèi)的自主穿梭飛行僅持續(xù)幾秒鐘，每次飛行所需的能量有限，電力由超級電容器提供。穿梭車始終可用，可以全天 24 小時連續(xù)運行，確保高耐用性，無需任何維護(hù)。

圖2顯示了基于兩個串聯(lián)超級電容器的電源系統(tǒng)，每個超級電容器的額定電壓為400F和2.7V。超級電容器集合在托盤穿梭車上，而充電器已經(jīng)在轉(zhuǎn)運車上。充電器從V獲取電力總線= 24V。在航天飛機飛行之間的對接時間內(nèi)，它以電壓V = 5V為200F超級電容器集合（C）充電，并存儲電荷：

Q = C × V = 200 × 5 = 1000 庫侖

在20A充電電流下，超級電容器將在t = 50s（Q / I）內(nèi)充電。 托盤滑塊上的升壓轉(zhuǎn)換器將 5V 輸入電壓提升至 VM = 12V，以幫助以 5A 電流驅(qū)動電機。忽略損耗，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流將為：

該電流將以以下速率使超級電容器放電：

假設(shè)升壓轉(zhuǎn)換器輸入UVLO為3V，則電容放電范圍為ΔV = 2V。因此，升壓轉(zhuǎn)換器將驅(qū)動電機一段時間：

圖2.超級電容器為自動托盤穿梭車提供動力。

在 83 秒的全充/放電 （t + t） 循環(huán)中，單個托盤穿梭車?yán)碚撋峡梢灾С置啃r 43 個托盤的移動。

案例研究：故障安全閥執(zhí)行器備份

在工業(yè)石油和天然氣流量控制應(yīng)用中，電源故障有可能使執(zhí)行器卡在操作位置，導(dǎo)致不安全條件、事故或設(shè)備損壞。如果電源中斷，故障安全閥門執(zhí)行器備份系統(tǒng)會自動將閥門返回到安全的緊急位置。在傳統(tǒng)解決方案中，返回安全位置由機械彈簧執(zhí)行。對于超級電容器，如果發(fā)生電源故障，可以將能量存儲在超級電容器中，將執(zhí)行器移動到特定選擇的緊急位置。超級電容器需要更少的空間，并且沒有移動部件，確保儲能具有較長的使用壽命和低維護(hù)。

圖3顯示了基于10個串聯(lián)超級電容器的電源系統(tǒng)，每個超級電容器的額定電壓為3400F和2.7V。在正常工作期間，48V總線降壓至24V，為執(zhí)行器驅(qū)動器供電，同時為340F超級電容器集合（C）充電。

在電源故障的情況下，340F 超級電容器為 10A 負(fù)載 （I） 供電。放電速率為0.03V/s （I/C），放電范圍為ΔV = 10V，執(zhí)行器可驅(qū)動330s，足以將其移動到指定的緊急位置。

圖3.超級電容器供電的故障安全閥執(zhí)行器。

超級電容器充電器解決方案

例如，MAX17701為高效率、高電壓、同步、降壓、超級電容充電器控制器，設(shè)計工作在4.5V至60V輸入電壓范圍（VDCIN）。輸出電壓可在 1.25V 至 （VDCIN - 4V） 范圍內(nèi)進(jìn)行編程。該器件使用一個外部 N-MOSFET 來提供輸入電源側(cè) ORing 功能，從而防止超級電容器放電回輸入端。圖 4 顯示了一個 24V在/5V外圖2前面討論的托盤穿梭車應(yīng)用的/20A應(yīng)用電路。

圖4.5V/20A超級電容充電器，帶輸入短路保護(hù)。

圖5顯示了該應(yīng)用電路在24V輸入和5V輸出時的效率。圖中還顯示了 8V 和 12V 輸入電壓。

圖5.5V/20A 超級電容器充電器效率。

在托盤穿梭車用例中，充電器效率非常出色（> 90%），輸入電壓為 24V 和 5V 輸出。在48V（>85%）時，效率也非常好，這是討論的第二個應(yīng)用采用的輸入電壓。

IC以±5%精度的恒定電流（圖6中的CC模式）為超級電容器充電。超級電容器充電后，器件以±1%的精度調(diào)節(jié)空載輸出電壓（CV模式）。

圖6.充電器電流和電壓曲線

該 IC 提供安全定時器 （TMR） 功能，用于設(shè)置允許的最大恒流 （CC） 模式充電時間。該器件的工作溫度范圍為?40°C至+125°C工業(yè)溫度范圍，采用帶裸焊盤的24引腳4mm x 4mm TQFN封裝。

結(jié)論

超級電容器的獨特功能使其成為短充電和放電循環(huán)的理想選擇，如我們討論的兩個案例研究所示：現(xiàn)代存儲設(shè)施中的自動托盤穿梭車和故障安全閥門執(zhí)行器備份系統(tǒng)。短周期需要高充電和放電電流，而串聯(lián)超級電容器的使用會導(dǎo)致可能的輸入和輸出充電器電壓范圍很大，具體取決于電容器的數(shù)量。因此，我們提出了一種靈活的充電器架構(gòu)，具有高電流和高輸入/輸出電壓，可以處理各種應(yīng)用。

審核編輯：郭婷