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摘 要： 摘 要：目前，蓄電池在使用過程中可能出現功率無法滿足負載，即在突發情況之下電源瞬時輸出大功率電流，從而嚴重影響電源的使用壽命。為此，本文提出一種基于超級電容的電源功率補償方法，通過單片機系統檢測電源輸出功率，調整電源輸出模式以此達到電源靈活適配負載需
摘 要：目前，蓄電池在使用過程中可能出現功率無法滿足負載，即在突發情況之下電源瞬時輸出大功率電流，從而嚴重影響電源的使用壽命。為此，本文提出一種基于超級電容的電源功率補償方法，通過單片機系統檢測電源輸出功率，調整電源輸出模式以此達到電源靈活適配負載需求功率，以同時提高電源工作效率和使用壽命的目的。實驗測試結果表明，所開發的系統能夠實現在負載瞬時功率過大的情況下解決蓄電池供電電流不足的問題，能夠對電源起到保護作用。
關鍵詞：蓄電池 超級電容 功率補償 單片機
隨著當今社會的發展，環境和能源已經成為制約我國經濟高速發展的重要問題。為了能夠更好的解決環境和能源問題，實現可持續發展，采用新能源和新材料是未來發展的必然趨勢[1]。超級電容作為一種新型儲能裝置，相比于蓄電池具有功率密度大、內阻小、充放電循環次數循環壽命長、電能容量大、能夠大功率放電，而且能夠在溫度波動較大的環境中工作等優點[2-4]，因此超級電容在工程項目中逐漸受到廣泛關注。但是超級電容作為電源使用中存在電壓波動大，放電安全存在隱患問題[5]。實際運用中將超級電容和傳統的蓄電池同時使用能夠起到很好的互補作用，超級電容和蓄電池共同組成復合形式電源系統能夠有效的結合兩者間的優點，同時能夠彌補其在使用中的缺陷，在實際工程運用中擁有廣闊的應用前景[6]。
本文通過單片機控制系統設計一款超級電容和蓄電池組成的復合電源管理系統，使用中超級電容通過以TPS63070為核心的DC/CD模塊實現穩壓供電，通過單片機實現電源輸出切換功能，以此滿足負載功率需求。
1 電源功率補償方案
1.1 系統總體設計
復合電源管理系統主要由超級電容模塊、充放電模塊、蓄電池模塊、單片機控制模塊4個部分組成。電源系統通過單片機對輸出功率進行實時檢測與監控，系統常規輸出時采用蓄電池作為供電電源;當輸出功率高于蓄電池能夠承受的功率時，電源系統使用超級電容作為輔助電源以此來滿足負載的功率需求。
1.2 復合電源結構選型
常用蓄電池—超級電容并聯結構有直接并聯、通過電抗器并聯和通過功率變換器DC/DC并聯3 種方式[7]。相比與前兩種結構，使用DC/DC模塊并聯作為電源結構不僅能夠實現穩定電源電壓輸出，還能夠保護超級電容放電功率，延長超級電容使用壽命。
本文采用蓄電池、超級電容組和DC/DC功率變換器搭建復合電源，在設計上有兩種連接方式：一種是將DC/DC模塊直接并聯蓄電池后端，再并聯超級電容模塊;另一種是將超級電容連接DC/DC模塊后再并聯蓄電池。第一種結構在使用中超級電容相當于中間電源，將蓄電池的能量搬運到用電器上，這種結構解決了當負載端功率因外部環境而出現的功率突然變大可能會損害蓄電池的問題，但是也會因超級電容頻繁充放電而引起部分能量損失，降低電源效率，減少超級電容使用壽命。相比之下第二種結構中超級電容組的電能能夠由DC/DC模塊控制，通過單片機識別電源的輸出情況，當需要大功率輸出時控制開關電路，將超級電容組加入到供電系統，滿足負載大功率需要，同時也能夠保證超級電容的SOC處于合理范圍，提高電源效率和使用壽命。綜上所述，本文選用第二種電源結構。
2 硬件電路設計
硬件電路設計作為電源模塊主要組成部分，直接決定電源最終能否有效供能。本設計在硬件部分分為超級電容組，放電電路和電源檢測電路3個部分。超級電容組是電源中儲能部分，能夠實現對能量的暫時存儲，必要時作為電源的輔助能源進行供電;放電電路是電源的核心，它的主要功能是為超級電容進行穩壓輸出，確保超級電容能夠實現穩定供能;電源檢測電路是對電源輸出功率進行檢測，通過對功率檢測達到確定電源供電方式。
2.1 超級電容組
單個超級電容在使用中只有2.7V左右的耐壓值，電壓大小完全不能夠滿足作為電源使用是設計要求。因此使用中采用多個超級電容串聯的方式組成超級電容組，以滿足系統供電要求。超級電容在制作為電容組時，如果直接將電容正負極串聯，由于單個超級電容本身制造工藝和材料的問題會造成性能上的偏差，導致充放電不一致，表現在其使用中電壓不一致的現象，而這種情況會降低超級電容整體能量利用效率，也會對超級電容的使用壽命產生影響[4]。
為了解決上述情況，需要對超級電容組采用均壓方案實現電壓平衡。均壓方案可以分為能量耗散型和能量轉移型。能量耗散型均壓板在每個超級電容上并聯電阻、二極管或者開關電路實現通過超級電容自放電來達到電壓平衡的目的。這種方式不僅讓超級電容組在使用過程中產生大量能量損耗，造成模塊溫度上升，還會造成電容充電速度下降，嚴重影響電源效率。相比于能量損耗型均壓板，能量轉移型均壓板就能夠彌補這些缺點。本文使用電感型均壓板來實現電壓平衡，這種方式不僅速度快、精度高，而且結構簡單硬件數目少容易實現。
2.2 放電電路設計
當超級電源作為電源供電元件時會存在使用過程中電壓不斷降低的問題，所以為了保證電源穩定放電，必須將超級電容接入DC/DC變換器實現電壓穩定后再接入電源電路。本設計采用TI公司制造的芯片TPS63070作為放電DC/DC變換電路核心芯片，TPS63070作為一款低靜態電流的高效率降壓— 升壓轉換器，適合用于輸入電壓產生很大波動的電源，它能夠允許輸入的電壓范圍為2.0~16V，輸出端可以在2.5~9V間調節，在升壓或降壓的模式下其輸出電流能夠高達2A。作為一款基于固定頻率、脈寬調制(PWM)控制器，在低負載電流的情況下，此控制器通過使用同步整流獲得最高效率。在低負載情況下，此轉換器進入省電模式以在寬負載電流范圍內保持高效率，必要時可以被禁用以減少電源的消耗。如圖1所示為TPS63079電路圖。
TPS63070使用4個內部N通道MOSFET，以在所有可能的工作條件下保持同步功率轉換。這使得設備能夠在寬的輸入電壓和輸出功率范圍內保持高效率。為了在所有可能的輸入電壓條件下調節輸出電壓，裝置自動從降壓操作切換到升壓操作，并根據配置要求切換回。它總是使用一個激活開關、一個整流開關、一個打開開關和一個保持關閉開關。因此，當輸入電壓高于輸出電壓時，它作為降壓變換器工作;當輸入電壓低于輸出電壓時，它作為升壓變換器工作。不存在所有4個開關都在切換的操作模式。通過開關和電感的均方根電流保持在最小值，以盡量減少開關和傳導損耗。對于其余的兩個開關，一個保持打開，另一個保持關閉，因此不會造成開關損耗。通過這種方式控制開關，可以使變換器在整個輸入電壓范圍內始終保持高效率。該裝置提供了從降壓到升壓或從升壓到降壓操作的無縫過渡。該裝置的控制電路基于平均電流模式拓撲。平均電感電流由一個由電壓控制回路控制的快速電流調節回路調節。
跨導放大器GMV的非反相輸入可以假定為常數，GMV的輸出定義了平均電感電流。通過測量高壓側降壓MOSFET的電流，重建了電感電流。該電流與升壓模式下的電感電流完全對應。在降壓模式下，電流是在同一個MOSFET的導通時間測量的。在斷開時間內，電流從接通周期結束時達到的峰值開始進行內部重構。然后將平均電流與所需值進行比較，然后將差異或電流誤差放大，并與Buck或 Boost的鋸齒斜坡進行比較。根據信號穿過兩個斜坡中的哪一個，Buck MOSFET或Boost MOSFET被激活。當輸入電壓接近輸出電壓時，一個降壓循環之后是一個升壓循環。在這種情況下，同一模式的一行不允許超過三個循環。該控制方法在降壓升壓區具有魯棒性強、效率高等特點。
當輸入電壓高于9V，輸出電壓低于2.2V時，開關頻率降低2倍，以使最小接通時間保持在合理值。對于短路保護，在低于1.2V的輸出電壓下，低側輸入FET和高側輸出FET不是主動切換的，而是用于傳導的背柵二極管。因此，一般應避免輸出電壓低于1.5V。
2.3 電源電壓檢測電路設計
根據設計上的要求，本文使用超級電容組作為臨時儲能元件起到輔助供能的作用，需要對超級電容組的電壓進行監控，在其電容偏低的時候為其充電，防止電容組電壓過低而導致的DC/DC模塊無法正常工作，并且損壞模塊的問題。如圖2所示為電壓檢電路圖。
檢測電路采用分壓電阻的方式進行電壓檢測，在設計上超級電容組電壓上限為12V，為了保證檢測口輸出的信號能夠符合單片機ADC口電壓轉化范圍，所以將其按照3:1的電阻進行分配，使其最大檢測電壓為3V。同時在設計上為了降低采樣電阻對整個硬件電路的影響和檢測的準確性，本文采用高精度大阻值的電阻和濾波電容進行電路設計。
電流檢測的原理是通過將采樣電阻檢測接入需要檢測電流的電路支路，通過運算放大器將采樣電阻處產生的電壓進行放大處理后接入單片機的 AD引腳口。電流采集電路圖3所示。
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電流檢測電路是以AD8217作為核心搭建的檢測電路，它能夠承受4.5~80V的電壓輸入，而且其內部有一個LDO(低壓降穩壓器)使其不需要單獨供電。這款芯片是一塊能夠耐高壓的高分辨率型差分放大器，芯片內部自動設置其放大倍數為20V/V，它在-40℃~+125℃溫度范圍內的最大增益誤差為 ±0.35%。AD8217芯片在設計上采用4個引腳，分別為IN+、IN-、OUT和GND，使用簡單，方便搭建測試電路。
在硬件電路設計上采用是10mΩ的高精度功率電阻作為采用電阻。根據放大電路固定放大倍數是20倍，單片機能夠檢測出的最大電壓為3.3V 的特性，通過計算可知能夠檢測出的電流范圍為0~16.5A。以上功能完全能夠滿足電源的供電要求。
3 實驗結果分析
本實驗設計的超級電容的電源功率補償系統能夠實現對負載功率檢測并調節電源輸出模式達到功率補償的目的。實驗中主要使用的模塊是電源檢測模塊和DC/DC調壓模塊。電源檢測模塊能夠實現 0~12V的電壓范圍和0~16.5A的電流范圍。DC/DC 模塊能夠實現2.0~16V的電壓輸入范圍和2.5~9V的電壓輸出范圍，模塊最大輸出功率為18W。如圖4所示為實驗室使用的部分模塊。
實驗過程中，采用電機作為負載，電機在正常運轉過程中為空轉狀態，此時負載需要的電流較小，能夠達到0.5A的電流。當在電機上施加負載時，電機所需要的電流會增加，本實驗中給電機增加負載后，電機需要達到2.5A的電流才能正常運行，此時使用蓄電池無法滿足電機供電要求，測試中通過超級電容組為蓄電池提供功率補償，超級電容組最高能夠達到2A的輸出電流，兩者同時供電能夠滿足此時電機所需要的電流。
4 結論
本文針對在蓄電池池電源在工作重遇到的負載工作突然增加，從而導致電源瞬時峰值電流增大，嚴重影響電源壽命和能效的情況，提出一種基于超級電容的電源功率補償系統。電源系統通過對負載功率進行檢測，當負載需求功率提高時電源接入超級電容組實現功率補償，在消除大電流對蓄電池的影響，提高電源的使用壽命。本設計中TPS63070作為超級電容組的放電模塊核心，可以實現超級電容組最低2V的電壓輸入，能夠充分利用超級電容組儲存的能量，電源轉換效率能夠達到95%，提高了電源的能效。——論文作者：王尚靜1 萬 奧1 甘英銘1 史梓譚1 張衛國2
參考文獻
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