混合電容器的恒壓脈沖充電

總述
　　可充電儲(chǔ)能電容器由于其靈活性、低維護(hù)要求和總成本較低而受到市場(chǎng)矚目。
　　對(duì)于緊湊型應(yīng)用，傳統(tǒng)電解電容器是有益于環(huán)保的可選方案，并提供寬額定電壓范圍。但在輸出要求超過(guò)幾百毫瓦的情況下，它們會(huì)很快達(dá)到儲(chǔ)能極限。
　　雙電層電容器（EDLC）提供高功率、高能量密度和長(zhǎng)工作壽命，但與電池一樣，其工作電壓較低。電子系統(tǒng)要求在這些技術(shù)之間達(dá)成平衡，亦即既具有傳統(tǒng)電池與雙層電容器的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有其缺陷?；旌鲜紼NYCAP? 196 HVC電容器能夠提供這一性能。為充分發(fā)揮產(chǎn)品性能，必須使用可靠的充電解決方案。本文指出恒壓（CV）脈沖充電是最經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。
　　混合電容器技術(shù)與性質(zhì)
　　混合系統(tǒng)結(jié)合了靜電儲(chǔ)能和感應(yīng)儲(chǔ)能方法，因此有可能實(shí)現(xiàn)更快于電池的充電速度。混合電容器系統(tǒng)的功率密度可輕易超過(guò)電池，且能量密度顯著高于雙層電容器。
　　由于使用感應(yīng)儲(chǔ)能方法，所以混合電容器的工作電壓范圍較窄，與電池相似。雖然這種電壓穩(wěn)定性在許多應(yīng)用中是有益的，但必須注意電容器電壓和電流管理，以便在長(zhǎng)工作壽命內(nèi)保持最佳性能。
　　絕不能超過(guò)最大電芯電壓。因此，為了獲得最長(zhǎng)使用壽命，電源管理必須確保工作電壓絕對(duì)精確地處于規(guī)定的毫伏范圍之內(nèi)。
　　另外還要考慮流過(guò)混合電容器的電流與感應(yīng)轉(zhuǎn)換過(guò)程具有部分相關(guān)性。由于這些過(guò)程需要一定時(shí)間，所以在充電和放電時(shí)必須使最大允許電流保持一段時(shí)間。
　　混合電容器的自放電顯著低于雙電層電容器。例如，ENYCAP 196 HVC的自放電水平低于5%/天。
　　由于感應(yīng)儲(chǔ)能過(guò)程總包括一些物質(zhì)轉(zhuǎn)換，所以顯然必須避免過(guò)度充電。即便 ENYCAP 196 HVC在此方面具有短時(shí)耐受力，但必須考慮在長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)，如果沒(méi)有合適的控制措施，即使低充電電流也會(huì)使電容器過(guò)度充電。
　　混合電容器的循環(huán)壽命性能優(yōu)于電池。例如，ENYCAP 196 HVC能夠?qū)崿F(xiàn)5萬(wàn)次以上循環(huán)。
　　關(guān)于恒壓脈沖充電的總述
　　對(duì)于要求儲(chǔ)能器件持續(xù)處于高荷電態(tài)的應(yīng)用，例如后備系統(tǒng)，建議使用恒壓脈沖充電法（PCM）。脈沖充電法可在相當(dāng)簡(jiǎn)單的電源管理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并確?；旌蟽?chǔ)能元件在建議限值與條件范圍內(nèi)安全工作。
　　脈沖充電是補(bǔ)償自放電并避免經(jīng)常或持久過(guò)充的首選方法，能大幅改善儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。
　　脈沖充電（或稱間歇充電）可利用由定時(shí)器控制的恒壓源來(lái)實(shí)現(xiàn)。電壓源需要進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，以適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電壓。
　　典型的工作程序包含五個(gè)步驟（見(jiàn)圖4）：
　　1. 初次充電步驟確保有充足的電能供下一次后備操作（荷載）使用
　　2. 通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)能元件的開(kāi)路電壓（OCV）檢查可用電能
　　3. 監(jiān)測(cè)健康狀態(tài)（SOH）
　　4. 施加充電脈沖，以補(bǔ)償自放電和后備荷載
　　5. 從第2步重新開(kāi)始
　　注： 第2-5步補(bǔ)償自放電效應(yīng)并通過(guò)這種涓流充電使儲(chǔ)能元件保持健康狀態(tài)，同時(shí)還維持更長(zhǎng)的時(shí)間。
　　標(biāo)稱電壓
　　ENYCAP 196 HVC儲(chǔ)能電容器由一個(gè)或更多獨(dú)立電芯組成，各個(gè)電芯的額定電壓UR為1.4 V。
　　因此，每個(gè)混合儲(chǔ)能電容器為X個(gè)電芯以串聯(lián)方式配置，額定電壓UR為X * 1.4 V。
　　恒壓充電
　　恒壓脈沖充電
　　恒壓充電是指通過(guò)在儲(chǔ)能器件的端子上施加恒定電壓UCVcharge進(jìn)行充電的方法。對(duì)于恒壓脈沖充電法，充電時(shí)間另外還受開(kāi)關(guān)SW1的限制，而SW1由適當(dāng)?shù)?a href='http://ttokpm.com/v/tag/2562/' target='_blank' class='arckwlink_none'>算法控制。
　　
　　對(duì)于所考慮的系統(tǒng)與電壓，由此產(chǎn)生的充電電流Icharge取決于儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)（SOC）。荷電狀態(tài)越低，充電電流Icharge一般越高。
　　依據(jù)歐姆定律可判定：
　　1. 荷電狀態(tài)越低，充電電流Icharge越高
　　2. 施加的電壓UCVcharge越高，充電電流Icharge越高
　　根據(jù)第1點(diǎn)，充電電流會(huì)隨著荷電狀態(tài)升高而減小。這是一種負(fù)面效應(yīng)，因?yàn)槌潆姇r(shí)間會(huì)因?yàn)槌潆婋娏鳒p小而延長(zhǎng)。根據(jù)第2點(diǎn)，UCVcharge增加時(shí)Icharge也會(huì)增加，并因此縮短充電時(shí)間。
　　但只要施加了源電壓，UCVcharge升高就會(huì)導(dǎo)致高殘余充電電流。所以必須確保系統(tǒng)在滿充后不會(huì)過(guò)度充電。
　　約束條件
　　所有類型的儲(chǔ)能元件都要求下列參數(shù)保持在規(guī)格范圍之內(nèi)：
　　? 最大和最小充電電壓
　　? 最大充電電流
　　? 荷電狀態(tài)：必須限制充電量Q = ∫ Icharge * dt，以免過(guò)充
　　? 溫度
　　充電電流
　　Q = ∫ Icharge * dt 應(yīng)當(dāng)加以限制，以避免過(guò)充（》 100 %荷電狀態(tài)）。這樣即可實(shí)現(xiàn)由定時(shí)器控制的間歇或脈沖充電法。
　　該過(guò)程還會(huì)限制極低殘余充電電流在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的負(fù)面影響，并確保產(chǎn)品具有最長(zhǎng)的使用壽命。
　　待充電量可由充電源的“ON時(shí)間”控制。需要按照產(chǎn)品規(guī)范選擇需要的電量Q = ∫ Icharge * dt。
　　最大充電電流通常由儲(chǔ)能元件的類型和尺寸而定。
　　ENYCAP適用以下參數(shù)：
　　
　　針對(duì)UCVcharge增加的安全區(qū)已得到考慮，并且列于“充電電壓”部分的表2。
　　充電電壓（帶溫度補(bǔ)償）
　　正確的充電電壓依賴溫度條件（見(jiàn)圖1）。
　　溫度影響充電電壓的原因有二：
　　1. 電化學(xué)反應(yīng)依賴溫度條件
　　2. 電芯的內(nèi)阻會(huì)隨溫度變化而變化
　　這兩個(gè)效應(yīng)導(dǎo)致每個(gè)電芯具有-1 mV / 1 °C的線性電壓相依性。
　　
　　圖1 – 充電電壓是溫度的函數(shù)
　　表2顯示了20 °C時(shí)標(biāo)準(zhǔn)配置的正確充電電壓。
　　
　　充電電壓的溫度補(bǔ)償是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，可確保在寬溫度范圍內(nèi)的全功能工作，但不是每個(gè)應(yīng)用都必須這樣做（見(jiàn)下節(jié)內(nèi)容）。
　　充電電壓（無(wú)溫度補(bǔ)償）
　　ENYCAP 196 HVC混合儲(chǔ)能電容器沒(méi)有溫度補(bǔ)償也能充電。這些情況下應(yīng)考慮一些約束條件，以便在必須支持極寬溫度范圍時(shí)延長(zhǎng)使用壽命。
　　如果充電電壓完全不可調(diào)節(jié)，則應(yīng)設(shè)置充電的上限電壓及溫度限值；通?？稍O(shè)置為每電芯1.4 V和60 °C（圖2）。
　　在較低溫度時(shí)使用該固定電壓進(jìn)行充電不會(huì)損害電芯。但在較低溫度時(shí)，充電效率降低且混合電容器無(wú)法滿充。
　　圖2顯示了在僅能提供每電芯1.4 V充電電壓情況下的局限。
　　
　　圖2 – 每電芯1.40 V充電電壓與溫度的關(guān)系
　　如能提供兩種或三種充電電壓，則有可能在整個(gè)溫度范圍上實(shí)現(xiàn)逐步逼近（見(jiàn)圖3）。
　　
　　圖3 – 三種電壓情況下的逐步逼近
　　脈沖充電法
　　流程圖
　　
　　圖4 – 使用脈沖充電法的后備系統(tǒng)的工作流程圖
　　開(kāi)路電壓檢查
　　必須定時(shí)測(cè)量開(kāi)路電壓（OCV）。如果每個(gè)電芯的開(kāi)路電壓低于1.29 V，則必須施加初次充電循環(huán)（見(jiàn)圖1）。
　　每秒測(cè)量一次已經(jīng)足夠。根據(jù)電路情況，增加測(cè)量次數(shù)會(huì)造成額外的漏電流，應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。
　　正常工作/維護(hù)充電
　　短時(shí)充電脈沖（通常每隔約6-12小時(shí)持續(xù)1-3分鐘）會(huì)使混合電容器充電并補(bǔ)償自放電（典型性質(zhì)見(jiàn)圖5，示例見(jiàn)圖6）。
　　控制維護(hù)充電及充電量的最簡(jiǎn)單方法是使用定時(shí)器。每個(gè)充電脈沖過(guò)后，OVC將在“源OFF”階段期間“休息”（relax）。
　　這種脈沖充電（或稱間歇充電）模式是可能的，因?yàn)镋NYCAP 196 HVC混合電容器的電荷保持力（低自放電率）優(yōu)于傳統(tǒng)雙電層電容器。