超级电容技术分析及应用

　　图5：铲车在降下货物时可以捕捉并存储相应的势能，这些能量可用于将其他货物抬升到较高的存货区。该铲车能量的时间关系图表示氢燃料电池与超电容阵列分担负载的情况。

　　短暂的放电时间对某些超电容应用是有积极作用的。在欧洲的风力农场中，最新的风电涡轮叶片直径达到了160ft，轮轴距离地面250ft高。在风力较大时，叶片转速较快，以免涡轮发生逆向旋转。这需要为每个叶片设置大扭矩的调节电机以及相应的电源。

　　尽管可以利用铅蓄电池实现这种系统，但是人们在设计风力涡轮时采用了超电容。电池可能需要定期的维护，而超电容却不需要。当然，维护电池的工作需要雇用一些熟练的服务人员攀爬塔架。他们必须专注于繁重的维护工作，不断在几千座塔架上爬上爬下，才能对电池进行有效的维护。

　电路设计

　　超电容、电池、燃料电池和太阳能电池板的相互结合产生了很多新颖的设计方案。最近在达拉斯召开的功率电子技术大会上发表的论文中介绍了很多这类方案，代表了该技术的当前最新发展水平。

　　在一篇名为“Storing Power with Super Capacitors”的论文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便携式应用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的无线数据卡，在数据信号的传输过程中需要峰值电流的支持，而这种峰值电流超出了PC卡、CF卡或USB标准的范畴。

　　DeLurio还发现在手机相机的LED闪光照明装置上也存在类似的问题。他说，“设计者的面临挑战在于如何以一种最有效的方式将电池、DC-DC转换器和超级电容互连起来，限制超级电容的充电电流，在负荷事件之间对电容不断进行重新充电。”

　　DeLurio认为，超电容的问题在于它们的ESR(equivalent series resistance，等效串联电阻)较低。当最初电容放电之后，它对于充电电路而言就像是一个低值电阻。由此而产生的瞬间起峰大电流实际上造成了电池的短路。此外，他指出，“所有这种类型的电路都需要短路、过压和电流保护机制。”

　　设计者可以采用电阻串联的方式来限制电流，但是这种方案会导致电容的充电时间太长而无法接受。DeLurio介绍了一种PC卡应用，其中为限制PC卡主机/卡通信电流而设置的电阻使得充电时间达到了7分钟的量级。

　　在主机/卡通信之后采用更大的电流可以缩短充电时间。实际上，如果将这一原理进一步扩展，那么在电容充电的过程中可以采用某种方式在一连串电阻上进行切换，从而达到控制电流的目的。

　　但是这种方法“要求必须对切换点的时机进行精确的控制，这可能需要非常精准和昂贵的电阻，或者采用额外的电压检测器进行监测，” DeLurio说，“而且，当电容完全充电并将PC卡拔掉时，存储在电容内的能量足以损坏插脚。”

　　相反，DeLurio介绍了Analogic Tech推出的一种新型“智能开关”。AAT4620型限电流P沟道MOSFET电源开关是针对无线卡超电容应用而特别设计的。它有两套独立的、电阻可编程的电流限制电路，以及受控于AAT4620核心温度的功率环路。

　　Microchip公司的Keith Curtis发表的“Super-Capacitor Power Storage”一文首先指出，采用线性充电器对超电容进行充电是无效的。他接着介绍了一种经过改进的DC-DC降压调节器(如图6a所示)作为合适的充电电路，因为这种电路能够“调节电容的充电电流，与输出电压无关……使用电压反馈作为判断充电是否完成的依据。”

　　图6：为了在卫星系统中同时集成电池、太阳能电池板和超电容，Microchip和AMSAT的设计人员采用了一种改进的开关式降压转换器对超电容进行充电(a)。通过升压转换器的放电将会使超电容正常的指数式放电曲线趋于平坦，降压/升压转换器相结合的方式(b)采用了很多相同的元件。

　　这种电路的效果与DeLurio之前介绍的类似，但是更具通用性。对于该电路的工作方式，“电流……通过比较电感器中的电流与两个固定的电流值来进行调节;一个是预期的最大电流，另一个是最小电流，” Curtis说。

　　“最初，电感器只需很短的时间就能够从最小电流上升到最大电流，因为电感器上的电压处于最大值。放电时间将会相应延长，因为电感必须放电到一个相对较低的电压值，”他指出，“但是，随着电容内电荷的增加，电压差将会下降——增大上升时间——电容电压将会升高，缩短放电时间。”

　　Curtis指出，开关频率取决于“采用两个比较器和一个SR触发器的张弛振荡器，555-timer-style系统”，因此，电感器的元件值决定该频率的大小。

　　然后，Curtis采用类似的逻辑实现了一种开关式的升压电路，用于将电容的输出电压转换为一个合理的恒定负载电压。最终，Curtis实现了一种降压/升压充-放电的组合电路，其中采用一个开关MOSFET取代了充电电路中的回扫二极管(如图6b所示)，采用一个PIC微控制器实现控制功能以及大部分必需的外设功能。

　　Microchip与以业余无线电卫星研发为目标的非营利性私有机构AMSAT-NA开展了项目合作。AMSAT的下一个大型项目——Eagle卫星，计划于2009年3月发射。为了确保Eagle能够连续工作几十年，其电源系统将在这项工作的基础上，将太阳能电池板、锂离子电池和超电容集成到一套电源系统中，实现每种元件的优化使用。