超级电容充放电控制器的设计

钱浩+赵博文+陈子栋+刘青松+熊远生

摘要：本文基于超级电容在电动自行车上的应用，根据超级电容的特性设计了充、放电控制电路，给出了设计方案，并推导出元件参数，设计的控制器在电动自行车上试验，取得了良好的效果。

关键词：超级电容 电动自行车 控制器

超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。超级电容器的应用领域很广，在通讯、电子、铁路、航空以及军事等领域起的作用越来越大。当今环境问题越来越受到重视，超级电容器在电动汽车和混合式动力车上的前景广阔，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源。本文将超级电容应用于电动自行车上，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源，以满足电动自行车在启动、加速、爬坡或加载时的高功率要求。

1 超级电容充电器的设计

超级电容器在使用中，应该要注意以下问题：①超级电容器有固定的极性，在使用前注意确认其极性。②超级电容器需要在标称电压下使用：当工作电压超过标称电压的时侯会导致其电解液的分解，电容器发热，容量也随着下降，内阻增加，寿命将缩短。③超级电容器不能在高频充放电电路中使用，在高频率的充放电电路下，会导致电容器内部发热更多，容量衰减，内阻增加，甚至会导致电容器的性能崩溃。④当多个超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联使用会导致某些单体电容器过压，整体性能会受到影响，甚至会损坏这些电容器。根据以上对超级电容特性的分析，超级电容不能过电压充电，但是可以承受大电流充电，所以本次设计采用了大电流恒压充电。主要过程为由220V/50Hz的交流市电经过变压器变压、桥式整流，电容滤波，然后用L4970大功率稳压芯片稳定输出30V电压，给超级电容进行充电。设计方案框图如图1示。

图1 超级电容充电方案图

2 超级电容充电电路的设计

本设计对30V/50F的超级电容进行充电。若采用5A大电流充电，假设超级电容的开始电压为0，由公式Q=C△U=It，可以计算出充电时间为5分钟。这完全符合充电时间短的要求。基于此本次设计了一个输出电压为36V的恒压充电电源给超级电容充电。图2所示为超级电容充电电路。

本次设计整流部分采用桥式整流电路，运用四个二极管的单向导电作用整流。二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通，在正半周D1、D3导通，D2、D4截止；在负半周，D1、D3截止，D2、D4导通。桥式整流电路的优点是输出电压较高，纹波电压小，二极管承受的最大反向电压低。因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

由于充电器要求充电时间短，充电器必须要输出大功率，此处选用的整流二极管其最大正向平均整流电流为10A，最大正向电压1V。它具有反向漏电流低，正向浪涌承受能力较强，导通压降低等优点，满足此处整流的需求。当以最大电流为10A充电时，单个二级管的正向导通压降为1V，则功耗有10W。得到的直流电压V3=0.9V2。

滤波电路采用电容式滤波，并联的电容C在电源供给的电压升到时，能把部分能力存储起来；当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，达到平波的作用。滤波部分选用两个3.3mF/50V的电容C1、C2滤波。

为了得到稳定的电压输出，选择了L4970大功率稳压芯片进行稳压，L4970是由DMOS开关功率管，混合式COMS等集成电路制成的开关芯片，能够承受最大输出10A电流；开关频率高，可达400kHz，此处选择200kHz，电源效率高，减小了滤波电容的体积；输入输出压差低，约为1.1V，使其自身的耗能低，效率可以达到95%；输入电压范围为15V-50V；输出电压可在5.1V-40V范围内调动；有软启动、限流保护、过热保护、欠压锁定、PWM锁定和掉电复位等电路组成。芯片的工作过程为：首先把输出电压V0或经R1、R2和W组成的取样电路的反馈电压Vf和5.1V的基准电压比较，产生的误差电压和Vr、VJ比较获得PWM信号，信号经过非门驱动DMOS功率管，外接L、VD和C构成降压电路，得到稳定输出电压。1脚和2脚接锯齿波振荡器外部定时电阻R4和电容C9，频率此处取200kHz，工作效率可以达94%。接3脚的R1和R2构成分压器，用以设定复位阀值电压VIL为11V，当VIL不大于11V时，输出V0=0，复位输出=0。4脚LED亮着表示正常输出。5脚C6为复位延迟电容。6脚C10为自举电容，用于升功率驱动级电压，使功率管获大电流输出。7脚C11和R5构成吸收网络，限制储能电感L当功率开关管关断瞬间产生的尖峰电压，VD为续流的作用。8脚为通用接地端。9脚为稳压输入端。10脚R3和C8构成误差放大器的频率补偿网络，C7用于高频补偿。11脚为反馈的调节输入端。12脚C5为软启动电容。13脚同步输入端，用于多片同时使用。14脚C4和15脚的C3为芯片内部+5.1V和+12V基准电压的滤波电容。

L4970A工作在200kHz的频率下，它的工作效率为94%。此时定时电阻R4取16kΩ，定时电容C9取220pF。开关频率和自举电容C10的对应关系为200kHz，0.22 uF。储能电感L一般取值40uH-150uH，设计中选取120uH。当输出电压取30V即大于22V，频率取为200kHz时，效率可以达到94%。想要得到30V的输出电压，电阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，计算得出电阻W的取值为2.9kΩ。

充电器从市电220V/50Hz交流输入，通过变压器后得到36V的交流电。查L4970A芯片资料可知其在温度小于120℃的时候最大功耗Pu=30W，给超级电容以5A/30V充电的功率Po=150W，10A10整流二极管导通导通时压降为1V，电流为5A，所以其两个二极管导通时的管耗为Pb=10W。L4970A的效率为94%，超级电容充电效率90%，综合效率约为85%。由公式

计算得出变压器容量Sc=224VA。由此可以选取容量为0.25kVA的变压器作为本设计的变压器。

3 超级电容放电控制电路的设计

本设计主要采用集成电路LM339构成的超级电容的放电控制电路，LM339由四个电压比较器组成，由于其两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，选用LM339在此处做信号检测能够达到比较理想的效果。LM339由四个电压比较器组成了电动自行车控制电路的调速电路，过流保护电路、欠压保护电路和刹车电路。

4 超级电容的放电实验

本次试验采用的是30V/50F的超级电容，通过在实验室的试验，超级电容的满充电压为30V，充电时间大概8分钟。试验的电动自行车电机的额定电压为30V。超级电容器的容量为50F，为了增加超级电容的容量，我们采用了两个30V超级电容并联放电，但是结果并不理想，只能跑1000m左右。后来又加了两个30V/60F的超级电容，容量变大了，车程也相应的增加到3km左右。

参考文献：

[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430单片机的电动自行车充电器设计[J].电气技术与自动化，2009，38（5）：153-155.

[2]刘龙江，白志峰，曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用，2003，5（3）：7-9.

[3]赵坤，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011，26（9）：124-129.

基金项目：

本文得到地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号201310354008）资助；嘉兴学院2013年度校级一般SRT计划项目（超级电容器充放电控制器的设计）资助。endprint

摘要：本文基于超级电容在电动自行车上的应用，根据超级电容的特性设计了充、放电控制电路，给出了设计方案，并推导出元件参数，设计的控制器在电动自行车上试验，取得了良好的效果。

关键词：超级电容 电动自行车 控制器

超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。超级电容器的应用领域很广，在通讯、电子、铁路、航空以及军事等领域起的作用越来越大。当今环境问题越来越受到重视，超级电容器在电动汽车和混合式动力车上的前景广阔，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源。本文将超级电容应用于电动自行车上，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源，以满足电动自行车在启动、加速、爬坡或加载时的高功率要求。

1 超级电容充电器的设计

超级电容器在使用中，应该要注意以下问题：①超级电容器有固定的极性，在使用前注意确认其极性。②超级电容器需要在标称电压下使用：当工作电压超过标称电压的时侯会导致其电解液的分解，电容器发热，容量也随着下降，内阻增加，寿命将缩短。③超级电容器不能在高频充放电电路中使用，在高频率的充放电电路下，会导致电容器内部发热更多，容量衰减，内阻增加，甚至会导致电容器的性能崩溃。④当多个超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联使用会导致某些单体电容器过压，整体性能会受到影响，甚至会损坏这些电容器。根据以上对超级电容特性的分析，超级电容不能过电压充电，但是可以承受大电流充电，所以本次设计采用了大电流恒压充电。主要过程为由220V/50Hz的交流市电经过变压器变压、桥式整流，电容滤波，然后用L4970大功率稳压芯片稳定输出30V电压，给超级电容进行充电。设计方案框图如图1示。

图1 超级电容充电方案图

2 超级电容充电电路的设计

本设计对30V/50F的超级电容进行充电。若采用5A大电流充电，假设超级电容的开始电压为0，由公式Q=C△U=It，可以计算出充电时间为5分钟。这完全符合充电时间短的要求。基于此本次设计了一个输出电压为36V的恒压充电电源给超级电容充电。图2所示为超级电容充电电路。

本次设计整流部分采用桥式整流电路，运用四个二极管的单向导电作用整流。二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通，在正半周D1、D3导通，D2、D4截止；在负半周，D1、D3截止，D2、D4导通。桥式整流电路的优点是输出电压较高，纹波电压小，二极管承受的最大反向电压低。因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

由于充电器要求充电时间短，充电器必须要输出大功率，此处选用的整流二极管其最大正向平均整流电流为10A，最大正向电压1V。它具有反向漏电流低，正向浪涌承受能力较强，导通压降低等优点，满足此处整流的需求。当以最大电流为10A充电时，单个二级管的正向导通压降为1V，则功耗有10W。得到的直流电压V3=0.9V2。

滤波电路采用电容式滤波，并联的电容C在电源供给的电压升到时，能把部分能力存储起来；当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，达到平波的作用。滤波部分选用两个3.3mF/50V的电容C1、C2滤波。

为了得到稳定的电压输出，选择了L4970大功率稳压芯片进行稳压，L4970是由DMOS开关功率管，混合式COMS等集成电路制成的开关芯片，能够承受最大输出10A电流；开关频率高，可达400kHz，此处选择200kHz，电源效率高，减小了滤波电容的体积；输入输出压差低，约为1.1V，使其自身的耗能低，效率可以达到95%；输入电压范围为15V-50V；输出电压可在5.1V-40V范围内调动；有软启动、限流保护、过热保护、欠压锁定、PWM锁定和掉电复位等电路组成。芯片的工作过程为：首先把输出电压V0或经R1、R2和W组成的取样电路的反馈电压Vf和5.1V的基准电压比较，产生的误差电压和Vr、VJ比较获得PWM信号，信号经过非门驱动DMOS功率管，外接L、VD和C构成降压电路，得到稳定输出电压。1脚和2脚接锯齿波振荡器外部定时电阻R4和电容C9，频率此处取200kHz，工作效率可以达94%。接3脚的R1和R2构成分压器，用以设定复位阀值电压VIL为11V，当VIL不大于11V时，输出V0=0，复位输出=0。4脚LED亮着表示正常输出。5脚C6为复位延迟电容。6脚C10为自举电容，用于升功率驱动级电压，使功率管获大电流输出。7脚C11和R5构成吸收网络，限制储能电感L当功率开关管关断瞬间产生的尖峰电压，VD为续流的作用。8脚为通用接地端。9脚为稳压输入端。10脚R3和C8构成误差放大器的频率补偿网络，C7用于高频补偿。11脚为反馈的调节输入端。12脚C5为软启动电容。13脚同步输入端，用于多片同时使用。14脚C4和15脚的C3为芯片内部+5.1V和+12V基准电压的滤波电容。

L4970A工作在200kHz的频率下，它的工作效率为94%。此时定时电阻R4取16kΩ，定时电容C9取220pF。开关频率和自举电容C10的对应关系为200kHz，0.22 uF。储能电感L一般取值40uH-150uH，设计中选取120uH。当输出电压取30V即大于22V，频率取为200kHz时，效率可以达到94%。想要得到30V的输出电压，电阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，计算得出电阻W的取值为2.9kΩ。

充电器从市电220V/50Hz交流输入，通过变压器后得到36V的交流电。查L4970A芯片资料可知其在温度小于120℃的时候最大功耗Pu=30W，给超级电容以5A/30V充电的功率Po=150W，10A10整流二极管导通导通时压降为1V，电流为5A，所以其两个二极管导通时的管耗为Pb=10W。L4970A的效率为94%，超级电容充电效率90%，综合效率约为85%。由公式

计算得出变压器容量Sc=224VA。由此可以选取容量为0.25kVA的变压器作为本设计的变压器。

3 超级电容放电控制电路的设计

本设计主要采用集成电路LM339构成的超级电容的放电控制电路，LM339由四个电压比较器组成，由于其两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，选用LM339在此处做信号检测能够达到比较理想的效果。LM339由四个电压比较器组成了电动自行车控制电路的调速电路，过流保护电路、欠压保护电路和刹车电路。

4 超级电容的放电实验

本次试验采用的是30V/50F的超级电容，通过在实验室的试验，超级电容的满充电压为30V，充电时间大概8分钟。试验的电动自行车电机的额定电压为30V。超级电容器的容量为50F，为了增加超级电容的容量，我们采用了两个30V超级电容并联放电，但是结果并不理想，只能跑1000m左右。后来又加了两个30V/60F的超级电容，容量变大了，车程也相应的增加到3km左右。

参考文献：

[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430单片机的电动自行车充电器设计[J].电气技术与自动化，2009，38（5）：153-155.

[2]刘龙江，白志峰，曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用，2003，5（3）：7-9.

[3]赵坤，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011，26（9）：124-129.

基金项目：

本文得到地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号201310354008）资助；嘉兴学院2013年度校级一般SRT计划项目（超级电容器充放电控制器的设计）资助。endprint

摘要：本文基于超级电容在电动自行车上的应用，根据超级电容的特性设计了充、放电控制电路，给出了设计方案，并推导出元件参数，设计的控制器在电动自行车上试验，取得了良好的效果。

关键词：超级电容 电动自行车 控制器

超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90%以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。超级电容器的应用领域很广，在通讯、电子、铁路、航空以及军事等领域起的作用越来越大。当今环境问题越来越受到重视，超级电容器在电动汽车和混合式动力车上的前景广阔，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源。本文将超级电容应用于电动自行车上，其可作为电池的辅助电源或取代电池作为动力源，以满足电动自行车在启动、加速、爬坡或加载时的高功率要求。

1 超级电容充电器的设计

超级电容器在使用中，应该要注意以下问题：①超级电容器有固定的极性，在使用前注意确认其极性。②超级电容器需要在标称电压下使用：当工作电压超过标称电压的时侯会导致其电解液的分解，电容器发热，容量也随着下降，内阻增加，寿命将缩短。③超级电容器不能在高频充放电电路中使用，在高频率的充放电电路下，会导致电容器内部发热更多，容量衰减，内阻增加，甚至会导致电容器的性能崩溃。④当多个超级电容器串联使用时，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联使用会导致某些单体电容器过压，整体性能会受到影响，甚至会损坏这些电容器。根据以上对超级电容特性的分析，超级电容不能过电压充电，但是可以承受大电流充电，所以本次设计采用了大电流恒压充电。主要过程为由220V/50Hz的交流市电经过变压器变压、桥式整流，电容滤波，然后用L4970大功率稳压芯片稳定输出30V电压，给超级电容进行充电。设计方案框图如图1示。

图1 超级电容充电方案图

2 超级电容充电电路的设计

本设计对30V/50F的超级电容进行充电。若采用5A大电流充电，假设超级电容的开始电压为0，由公式Q=C△U=It，可以计算出充电时间为5分钟。这完全符合充电时间短的要求。基于此本次设计了一个输出电压为36V的恒压充电电源给超级电容充电。图2所示为超级电容充电电路。

本次设计整流部分采用桥式整流电路，运用四个二极管的单向导电作用整流。二极管D1、D3和D2、D4两两轮流导通，在正半周D1、D3导通，D2、D4截止；在负半周，D1、D3截止，D2、D4导通。桥式整流电路的优点是输出电压较高，纹波电压小，二极管承受的最大反向电压低。因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。

由于充电器要求充电时间短，充电器必须要输出大功率，此处选用的整流二极管其最大正向平均整流电流为10A，最大正向电压1V。它具有反向漏电流低，正向浪涌承受能力较强，导通压降低等优点，满足此处整流的需求。当以最大电流为10A充电时，单个二级管的正向导通压降为1V，则功耗有10W。得到的直流电压V3=0.9V2。

滤波电路采用电容式滤波，并联的电容C在电源供给的电压升到时，能把部分能力存储起来；当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，达到平波的作用。滤波部分选用两个3.3mF/50V的电容C1、C2滤波。

为了得到稳定的电压输出，选择了L4970大功率稳压芯片进行稳压，L4970是由DMOS开关功率管，混合式COMS等集成电路制成的开关芯片，能够承受最大输出10A电流；开关频率高，可达400kHz，此处选择200kHz，电源效率高，减小了滤波电容的体积；输入输出压差低，约为1.1V，使其自身的耗能低，效率可以达到95%；输入电压范围为15V-50V；输出电压可在5.1V-40V范围内调动；有软启动、限流保护、过热保护、欠压锁定、PWM锁定和掉电复位等电路组成。芯片的工作过程为：首先把输出电压V0或经R1、R2和W组成的取样电路的反馈电压Vf和5.1V的基准电压比较，产生的误差电压和Vr、VJ比较获得PWM信号，信号经过非门驱动DMOS功率管，外接L、VD和C构成降压电路，得到稳定输出电压。1脚和2脚接锯齿波振荡器外部定时电阻R4和电容C9，频率此处取200kHz，工作效率可以达94%。接3脚的R1和R2构成分压器，用以设定复位阀值电压VIL为11V，当VIL不大于11V时，输出V0=0，复位输出=0。4脚LED亮着表示正常输出。5脚C6为复位延迟电容。6脚C10为自举电容，用于升功率驱动级电压，使功率管获大电流输出。7脚C11和R5构成吸收网络，限制储能电感L当功率开关管关断瞬间产生的尖峰电压，VD为续流的作用。8脚为通用接地端。9脚为稳压输入端。10脚R3和C8构成误差放大器的频率补偿网络，C7用于高频补偿。11脚为反馈的调节输入端。12脚C5为软启动电容。13脚同步输入端，用于多片同时使用。14脚C4和15脚的C3为芯片内部+5.1V和+12V基准电压的滤波电容。

L4970A工作在200kHz的频率下，它的工作效率为94%。此时定时电阻R4取16kΩ，定时电容C9取220pF。开关频率和自举电容C10的对应关系为200kHz，0.22 uF。储能电感L一般取值40uH-150uH，设计中选取120uH。当输出电压取30V即大于22V，频率取为200kHz时，效率可以达到94%。想要得到30V的输出电压，电阻R8取20kΩ，R9一般取4.7kΩ。由公式U0=（Rs+W+R9）×5.1/R9，计算得出电阻W的取值为2.9kΩ。

充电器从市电220V/50Hz交流输入，通过变压器后得到36V的交流电。查L4970A芯片资料可知其在温度小于120℃的时候最大功耗Pu=30W，给超级电容以5A/30V充电的功率Po=150W，10A10整流二极管导通导通时压降为1V，电流为5A，所以其两个二极管导通时的管耗为Pb=10W。L4970A的效率为94%，超级电容充电效率90%，综合效率约为85%。由公式

计算得出变压器容量Sc=224VA。由此可以选取容量为0.25kVA的变压器作为本设计的变压器。

3 超级电容放电控制电路的设计

本设计主要采用集成电路LM339构成的超级电容的放电控制电路，LM339由四个电压比较器组成，由于其两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，选用LM339在此处做信号检测能够达到比较理想的效果。LM339由四个电压比较器组成了电动自行车控制电路的调速电路，过流保护电路、欠压保护电路和刹车电路。

4 超级电容的放电实验

本次试验采用的是30V/50F的超级电容，通过在实验室的试验，超级电容的满充电压为30V，充电时间大概8分钟。试验的电动自行车电机的额定电压为30V。超级电容器的容量为50F，为了增加超级电容的容量，我们采用了两个30V超级电容并联放电，但是结果并不理想，只能跑1000m左右。后来又加了两个30V/60F的超级电容，容量变大了，车程也相应的增加到3km左右。

参考文献：

[1]唐小洪，唐金勇.基于MSP430单片机的电动自行车充电器设计[J].电气技术与自动化，2009，38（5）：153-155.

[2]刘龙江，白志峰，曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用，2003，5（3）：7-9.

[3]赵坤，等.车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J].电工技术学报，2011，26（9）：124-129.

基金项目：

本文得到地方高校国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号201310354008）资助；嘉兴学院2013年度校级一般SRT计划项目（超级电容器充放电控制器的设计）资助。endprint