如何为您的超级电容器快速充电

超级电容器（或超级电容器）适用于短充电和放电周期。它们需要高电流进行快速充电，以及高电压和高串联数，如两个用例所示：自动托盘穿梭车和故障安全备份系统。在这些和许多其他情况下，快速充电由基于同步降压超级电容器充电器控制器的灵活、高效、高电压和高电流充电器提供。

介绍

超级电容器（或超级电容器）由于其相对于电池的独特优势，在各种应用中的使用越来越多。超级电容器基于静电原理工作，没有化学反应，避免了与电池化学存储相关的寿命问题。它们的高耐用性允许数百万次充电/放电循环，使用寿命长达 20 年，比电池高一个数量级。它们的低阻抗可在几秒钟内实现快速充电和放电。这一点，再加上它们在长时间保持电荷的中等能力，使超级电容器成为需要短充电和放电周期的应用的理想选择。它们还与电池并联使用，用于在负载转换期间需要瞬时功率输送峰值的应用中。

超级电容器的短充电和放电周期需要能够处理高电流的充电器。充电器必须在充电期间以恒流 （CC） 模式平稳工作，充电通常从 0V 开始，并在达到最终输出值后以恒压 （CV） 模式工作。在高压应用中，许多超级电容器串联连接，需要充电器来管理高输入和输出电压。

在此设计解决方案中，我们将讨论两个用例：存储设施中的自动托盘穿梭车和故障安全阀门执行器中的短期备用系统。随后，我们将介绍一种同步降压型超级电容器充电器，由于其高输出电流和宽输入和输出电压范围，可以处理大量的工业和消费应用。

案例研究：自动托盘穿梭车

现代存储设施由一个或多个货架单元组成，这些单元在各个楼层上具有大量通道，用于存储数千个托盘。转运车服务于每个存储通道，而电动穿梭车则在通道内来回移动托盘。

自动托盘穿梭车是使用超级电容器作为其主要电力来源的理想应用。超级电容器在上车时可在几秒钟内快速充电。通道内的自主穿梭飞行仅持续几秒钟，每次飞行所需的能量有限，电力由超级电容器提供。穿梭车始终可用，可以全天 24 小时连续运行，确保高耐用性，无需任何维护。

图2显示了基于两个串联超级电容器的电源系统，每个超级电容器的额定电压为400F和2.7V。超级电容器集合在托盘穿梭车上，而充电器已经在转运车上。充电器从V获取电力总线= 24V。在航天飞机飞行之间的对接时间内，它以电压V = 5V为200F超级电容器集合（C）充电，并存储电荷：

Q = C × V = 200 × 5 = 1000 库仑

在20A充电电流下，超级电容器将在t = 50s（Q / I）内充电。 托盘滑块上的升压转换器将 5V 输入电压提升至 VM = 12V，以帮助以 5A 电流驱动电机。忽略损耗，升压转换器的输入电流将为：

该电流将以以下速率使超级电容器放电：

假设升压转换器输入UVLO为3V，则电容放电范围为ΔV = 2V。因此，升压转换器将驱动电机一段时间：

图2.超级电容器为自动托盘穿梭车提供动力。

在 83 秒的全充/放电 （t + t） 循环中，单个托盘穿梭车理论上可以支持每小时 43 个托盘的移动。

案例研究：故障安全阀执行器备份

在工业石油和天然气流量控制应用中，电源故障有可能使执行器卡在操作位置，导致不安全条件、事故或设备损坏。如果电源中断，故障安全阀门执行器备份系统会自动将阀门返回到安全的紧急位置。在传统解决方案中，返回安全位置由机械弹簧执行。对于超级电容器，如果发生电源故障，可以将能量存储在超级电容器中，将执行器移动到特定选择的紧急位置。超级电容器需要更少的空间，并且没有移动部件，确保储能具有较长的使用寿命和低维护。

图3显示了基于10个串联超级电容器的电源系统，每个超级电容器的额定电压为3400F和2.7V。在正常工作期间，48V总线降压至24V，为执行器驱动器供电，同时为340F超级电容器集合（C）充电。

在电源故障的情况下，340F 超级电容器为 10A 负载 （I） 供电。放电速率为0.03V/s （I/C），放电范围为ΔV = 10V，执行器可驱动330s，足以将其移动到指定的紧急位置。

图3.超级电容器供电的故障安全阀执行器。

超级电容器充电器解决方案

例如，MAX17701为高效率、高电压、同步、降压、超级电容充电器控制器，设计工作在4.5V至60V输入电压范围（VDCIN）。输出电压可在 1.25V 至 （VDCIN - 4V） 范围内进行编程。该器件使用一个外部 N-MOSFET 来提供输入电源侧 ORing 功能，从而防止超级电容器放电回输入端。图 4 显示了一个 24V在/5V外图2前面讨论的托盘穿梭车应用的/20A应用电路。

图4.5V/20A超级电容充电器，带输入短路保护。

图5显示了该应用电路在24V输入和5V输出时的效率。图中还显示了 8V 和 12V 输入电压。

图5.5V/20A 超级电容器充电器效率。

在托盘穿梭车用例中，充电器效率非常出色（> 90%），输入电压为 24V 和 5V 输出。在48V（>85%）时，效率也非常好，这是讨论的第二个应用采用的输入电压。

IC以±5%精度的恒定电流（图6中的CC模式）为超级电容器充电。超级电容器充电后，器件以±1%的精度调节空载输出电压（CV模式）。

图6.充电器电流和电压曲线

该 IC 提供安全定时器 （TMR） 功能，用于设置允许的最大恒流 （CC） 模式充电时间。该器件的工作温度范围为−40°C至+125°C工业温度范围，采用带裸焊盘的24引脚4mm x 4mm TQFN封装。

结论

超级电容器的独特功能使其成为短充电和放电循环的理想选择，如我们讨论的两个案例研究所示：现代存储设施中的自动托盘穿梭车和故障安全阀门执行器备份系统。短周期需要高充电和放电电流，而串联超级电容器的使用会导致可能的输入和输出充电器电压范围很大，具体取决于电容器的数量。因此，我们提出了一种灵活的充电器架构，具有高电流和高输入/输出电压，可以处理各种应用。

审核编辑：郭婷