如何Fast-Charge超级电容器吗

文摘

超级电容器(或超级电容)是适合短充电和放电周期。他们需要大电流快速充电以及大量的高压系列所示两个使用案例:一个自动托盘航天飞机和故障安全备份系统。在这些和其他许多情况下,快速充电提供了一个灵活、高效、高电压、大电流充电器基于同步,降压,超级电容器充电控制器。

介绍

超级电容器(或超级电容)发现越来越多的使用在各种各样的应用程序由于其独特的优点在电池。超级电容器在静电功能原则没有化学反应,避免与化学相关的寿命问题存储电池。高耐久性允许数以百万计的充电/放电循环寿命可达20年,一个数量级以上的电池。他们的低阻抗使快速充放电的秒。这一点,结合他们的温和的能力在很长一段时间,使超级电容器的理想应用程序需要充电和放电周期短。他们也与电池并联使用,应用瞬时峰值功率输出的负载转换期间是必要的。

超级电容器充电和放电周期短的需要可以处理大电流的充电器。在恒流充电器必须工作顺利(CC)模式中,通常始于0 v,在恒压(CV)模式一旦最终输出值。在高压应用程序中,许多超级电容器串联连接,要求管理高输入和输出电压的充电器。

在本设计方案中,我们将讨论两个用例:自动托盘航天飞机在存储设施和短期备份系统在故障保险阀致动器(图1)。随后,我们将介绍一个同步降压超级电容器充电,由于其高输出电流和输入和输出操作电压范围宽,可以处理大量的工业和消费者应用程序。

仓库自动托盘穿梭。

图1所示。仓库自动托盘穿梭

案例研究:自动托盘穿梭

现代存储设备由一个或多个货架单位与大量的渠道不同层次存储成千上万的托盘。拖车服务的每个存储通道而机动飞机来回移动托盘内的通道。

自动托盘穿梭是一个理想的应用程序使用超级电容作为其主要的电力来源。在几秒内超级电容器快速充电而车载汽车转移。通道内的自主飞行只持续几秒钟,要求每次飞行的能量有限,与权力提供的超级电容器。航天飞机总是可用,可以连续操作,一天24小时,保证高耐久性没有任何维护。

图2说明了电力系统基于两个串联超级电容器额定在400 f和2.7 v。超级电容器整体托盘上航天飞机,而充电器已经拖车上。充电器将权力从V公共汽车= 24 v。在航天飞机之间的对接时间,它指控200 f超级电容器合奏(C)在电压V = 5 V,存储费用:

Q = C×V = 200×5 = 1000库仑

20一个充电电流,超级电容器将收取在时间t = 50年代(Q / I)。boost变换器在托盘上航天飞机增加5 v的输入电压VM = 12 v, 5帮助驱动电机电流。忽略损失,boost变换器输入电流将会是:

方程1。

当前将超级电容器的放电率:

方程02。

假设boost变换器输入UVLO 3 v,电容器放电范围ΔV = 2 v。因此,boost变换器将驱动电机的时间:

方程03。

超级电容器自动托盘穿梭

图2。超级电容器自动托盘穿梭。

与一个完整的充电/放电(t + t)周期的83年代,一个托盘穿梭理论上支持运动的43个托盘每小时。

案例研究:自动防故障装置阀门执行机构备份

在工业石油和气体流量控制应用中,电源故障有可能离开致动器卡在操作位置,导致不安全的条件下,事故或设备损坏。万无一失的阀门执行机构自动备份系统阀门返回到一个安全的紧急位置如果电力供应中断。在传统的解决方案中,返回到一个安全的位置是由机械弹簧。超级电容器,如果有一个电源故障,执行机构可以搬到一个专门选择紧急位置存储在超级电容器的能量。超级电容器需要更少的空间,没有移动部件,确保能源储存寿命长,低维护。

图3说明了电力系统基于10串联超级电容器额定在3400 f和2.7 v。在正常操作期间,一个48 v总线是辞职到24 v电源驱动器驱动程序,同时收取340 f (C)超级电容器的整体造型。

在发生停电,340 f超级电容器为10负载(I)。放电率为0.03 v / s (I / C)和流量范围,ΔV = 10 v, 330年代可以驱动致动器,一个足够的时间把它转移到指定的紧急状况。

Supercapacitor-powered故障安全阀门执行机构。

图3。Supercapacitor-powered故障安全阀门执行机构。

超级电容器充电解决方案

作为一个例子,MAX17701是一种高效、高压、同步、降压、超级电容器充电控制器设计运行在4.5 v的输入电压范围(VDCIN) 60 v。输出电压是可编程从1.25 v (VDCIN - 4 v)。设备使用一个外部N-MOSFET提供输入供应打鼾功能,防止超级电容器放电回到输入。图4显示了一个24 v在v / 5出航天飞机/ 20托盘的应用电路应用前面所讨论的如图2所示。

5 v / 20一个超级电容器充电输入短路保护。

图4。5 v / 20一个超级电容器充电输入短路保护。

图5显示了此应用程序的效率和24 v输入和5 v输出电路。两个8 v、12 v的输入电压也会显示出来。

5 v / 20一个超级电容器充电效率。

图5。5 v / 20一个超级电容器充电效率。

充电器的效率很好(> 90%),24 v输入和5 v输出,托盘的航天飞机用例。效率也很好48 v(> 85%),第二个应用程序采用的输入电压进行了讨论。

IC指控±5%准确的超级电容器恒流(CC模式如图6所示)。在超级电容器充电后,设备调节空载输出电压精度±1%(简历模式)。

充电电流和电压概要文件。

图6。充电电流和电压概要文件

集成电路提供了一个安全定时器(咯)功能设置最大允许恒流充电时间(CC)模式。它运行在一个−40°C + 125°C的工业温度范围和可用24针4毫米x 4毫米TQFN包接触垫。

结论

超级电容器的独特的特性使它们适合短充电和放电周期如我们所讨论的两个案例研究:自动托盘穿梭在现代存储设备和故障安全阀门执行机构备份系统。短周期需要高充放电电流,利用超级电容器串联导致可能的输入和输出充电电压高,根据电容的数量。因此,我们提出了一个灵活的高电流,充电器架构和高输入/输出电压,可以处理各种各样的应用程序。

类似的版本设计方案最初出现在How2Power于2020年9月。