在某些應用中，超級電容器正在成為電池儲能的可能替代品。然而，超級電容器提供的主要優(yōu)點(diǎn)必須與一些顯著(zhù)的缺點(diǎn)相平衡。
從好的方面來(lái)說(shuō)，超級電容器的壽命幾乎無(wú)限，約為 10,000,000 次充電/放電循環(huán)，并且可以以超過(guò) 1,000 安培的驚人電流進(jìn)行充電和放電。它們在很大程度上也不受溫度變化的影響。然而，它們在能量密度或成本方面無(wú)法與電池競爭：超級電容器通常只能提供鋰離子電池能量密度的 3-5%，而成本卻高出 10 至 15 倍。
然而，在某些應用中，其優(yōu)勢甚至超過(guò)了這些限制。但超級電容器在如何充電和回收能量方面也面臨著(zhù)兩個(gè)重大的設計挑戰。充電時(shí)，面臨的挑戰是在電容器完全放電時(shí)將能量轉移到電容器（實(shí)際上呈現短路），而隨著(zhù)電容器的使用，回收能量也變得越來(lái)越困難。電壓接近0V�？朔@兩個(gè)挑戰是有效使用超級電容器替代電池存儲的主要障礙。
圖1：基于SMPS的恒流充電器
充電挑戰
線(xiàn)性充電器在給完全放電的電容器充電時(shí)會(huì )消耗很大一部分能量。然后，當電容器充電時(shí)，損失的能量比例較小，更多的能量進(jìn)入電容器。加上電容器吸收的功率和充電器中消耗的功率，在整個(gè)充電周期中，充電器實(shí)際上會(huì )以熱量的形式消耗一半以上的可用能量。事實(shí)上，線(xiàn)性充電器將近 58% 的可用充電能量以熱量的形式丟棄。
另一種充電選擇是使用基于開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 的系統，其中輸出電容器電壓和源電壓之間的差通過(guò)電感器下降。在電壓調節 SMPS 設計中（上圖 1），電感器電流由輸出電容器兩端的電壓與固定參考電壓之間的差值驅動(dòng)。然后，該差值電壓被放大、積分和相移，然后反饋到脈寬調制 (PWM) 比較器。
然后，PWM 比較器使用該電壓來(lái)確定在下一個(gè)周期中流過(guò)電感器的電流量。通常，通過(guò)精心設計，SMPS 電路可以實(shí)現大于 80-90% 的轉換效率。
在充電器電路中，在恒定輸出電壓下運行的時(shí)間非常少。根據定義，充電器電路設計為在將電容器電壓從零升至終電壓的同時(shí)完成大部分工作。正是在充電期間，需要優(yōu)化能量傳輸。
充電電路需要一個(gè)能夠獨立于輸出電壓調節電容器充電電流的系統，并且僅使用電壓反饋作為確定充電何時(shí)完成的手段。圖 1 顯示了如何使用典型 SMPS 設計的變化來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。這里，通過(guò)將電感器中的電流與兩個(gè)固定水平進(jìn)行比較來(lái)調節電感器中的電流；一個(gè)處于所需電流，另一個(gè)處于電流。
初，由于電感器兩端的電壓處于值，因此電感器從電流上升到電流所需的時(shí)間非常短。放電時(shí)間會(huì )相應更長(cháng)，因為電感必須放電到相對較小的電壓。然而，隨著(zhù)電容器中的電荷增加，電壓差將下降，從而增加斜坡上升時(shí)間，并且電容器電壓將上升，從而縮短放電時(shí)間。
雖然可以使用傳統的時(shí)基驅動(dòng) PWM 來(lái)實(shí)現類(lèi)似的功能，但電感器的選擇對于維持電流水平至關(guān)重要。此外，當占空比大于 50% 時(shí)，可能會(huì )出現不穩定現象。避免這種不穩定的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是使用松弛振蕩器、555Timer 式系統，使用兩個(gè)比較器和一個(gè) SR 觸發(fā)器，以便電感器組件值設置頻率。 |
