超級電容（Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor）亦稱雙電層電容（electric double-layer capacitor），目前越來越廣泛地用於各種電源管理係統。在汽車應用（如具有再生製動功能的起停係統）中zhong，超chao級ji電dian容rong能neng夠gou提ti供gong使shi起qi動dong器qi齧nie合he所suo需xu的de能neng量liang
，以yi重zhong啟qi燃ran燒shao發fa動dong機ji，並bing接jie收shou在zai製zhi動dong期qi間jian回hui收shou的de動dong能neng。超chao級ji電dian容rong的de優you勢shi在zai於yu其qi充chong放fang電dian次ci數shu顯xian著zhu多duo於yu傳chuan統tong鉛qian酸suan電dian池chi，同tong時shi能neng夠gou更geng迅xun速su地di吸xi收shou能neng量liang而er不bu減jian少shao其qi預yu期qi壽shou命ming。這zhe些xie特te點dian還hai使shi超chao級ji電dian容rong對dui工gong業ye後hou備bei電dian源yuan係xi統tong、快速充電無繩電動工具和遠程傳感器具有吸引力
，因為對這些應用來說，頻繁更換電池是不切實際的。 

 

本(ben)文(wen)討(tao)論(lun)了(le)有(you)關(guan)為(wei)這(zhe)些(xie)大(da)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，並(bing)向(xiang)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)介(jie)紹(shao)了(le)如(ru)何(he)評(ping)估(gu)和(he)選(xuan)擇(ze)適(shi)合(he)後(hou)備(bei)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)應(ying)用(yong)的(de)最(zui)佳(jia)係(xi)統(tong)配(pei)置(zhi)。文(wen)中(zhong)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)範(fan)例(li)，並(bing)提(ti)供(gong)了(le)波(bo)形(xing)和(he)詳(xiang)細(xi)解(jie)釋(shi)。 

 

 

許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)配(pei)置(zhi)都(dou)使(shi)用(yong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)組(zu)作(zuo)為(wei)後(hou)備(bei)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)組(zu)件(jian)。一(yi)開(kai)始(shi)
，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)確(que)定(ding)其(qi)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)配(pei)置(zhi)目(mu)標(biao)，然(ran)後(hou)決(jue)定(ding)可(ke)用(yong)多(duo)大(da)電(dian)壓(ya)來(lai)存(cun)儲(chu)能(neng)量(liang)。解(jie)決(jue)方(fang)案(an)選(xuan)擇(ze)取(qu)決(jue)於(yu)負(fu)載(zai)的(de)功(gong)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)要(yao)求(qiu)，以(yi)及(ji)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)能(neng)量(liang)和(he)電(dian)壓(ya)能(neng)力(li)。在(zai)確(que)定(ding)了(le)最(zui)佳(jia)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)後(hou)，還(hai)必(bi)須(xu)對(dui)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)與(yu)成(cheng)本(ben)進(jin)行(xing)平(ping)衡(heng)。 

 

圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖
，其中的負載是需要穩定輸入電壓（3.3V、5V、12V等）的器件。48V主電源為正常工作的開關穩壓器2（SW2）供電
，同時通過開關穩壓器1（SW1）為超級電容組充電，使其電壓達到25V。當主電源斷開時
，超級電容組向SW2供電，以維持負載的連續運行。

圖1.一種使用超級電容組的電池後備係統的框圖

 

 

選xuan定ding超chao級ji電dian容rong後hou，係xi統tong工gong程cheng師shi還hai必bi須xu選xuan擇ze為wei超chao級ji電dian容rong充chong電dian的de目mu標biao電dian壓ya
，其qi根gen據ju是shi超chao級ji電dian容rong的de定ding額e曲qu線xian。大da多duo數shu超chao級ji電dian容rong單dan元yuan的de額e定ding電dian壓ya範fan圍wei為wei室shi溫wen下xia2.5V-3.3V，此(ci)額(e)定(ding)值(zhi)在(zai)更(geng)高(gao)溫(wen)度(du)時(shi)下(xia)降(jiang)，隨(sui)之(zhi)帶(dai)來(lai)更(geng)長(chang)的(de)預(yu)期(qi)壽(shou)命(ming)。通(tong)常(chang)，充(chong)電(dian)目(mu)標(biao)電(dian)壓(ya)設(she)置(zhi)值(zhi)應(ying)低(di)於(yu)最(zui)大(da)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)
，以(yi)延(yan)長(chang)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)。 

 

接下來需要選擇超級電容組的預期電壓和SW2拓撲。超級電容組配置可為並聯、串聯或者並聯的串聯電容串組合。因為單元電容電壓額定值通常低於3.3V，且負載常常需要相等或更高的供電電壓
，所以針對電容單元配置和SW2的選項是
，使用一個電容單元與一個升壓轉換器
，或串聯的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩壓器。若使用升壓配置，我們必須確保在超級電容放電時，電壓不會下降至低於SW2的(de)最(zui)小(xiao)工(gong)作(zuo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)。該(gai)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)可(ke)能(neng)多(duo)達(da)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)的(de)一(yi)半(ban)之(zhi)多(duo)，為(wei)此(ci)，我(wo)們(men)舉(ju)一(yi)個(ge)由(you)串(chuan)聯(lian)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)組(zu)合(he)和(he)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)降(jiang)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)（SW1）組成的超級電容組的例子。然後
，如果能量要求需要的話，將並聯多個串聯電容串。 

 

如(ru)果(guo)選(xuan)擇(ze)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)串(chuan)聯(lian)組(zu)合(he)，則(ze)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)電(dian)容(rong)串(chuan)頂(ding)端(duan)的(de)最(zui)大(da)預(yu)期(qi)電(dian)壓(ya)來(lai)選(xuan)擇(ze)所(suo)用(yong)電(dian)容(rong)單(dan)元(yuan)的(de)數(shu)目(mu)。更(geng)多(duo)的(de)串(chuan)聯(lian)電(dian)容(rong)意(yi)味(wei)著(zhe)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)串(chuan)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)更(geng)小(xiao)而(er)電(dian)壓(ya)更(geng)高(gao)。例(li)如(ru)，假(jia)設(she)選(xuan)擇(ze)使(shi)用(yong)兩(liang)串(chuan)由(you)四(si)個(ge)2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容（串聯）組zu成cheng的de一yi個ge電dian容rong串chuan。雖sui然ran兩liang種zhong配pei置zhi可ke存cun儲chu總zong電dian荷he和he能neng量liang是shi相xiang同tong的de
，但dan電dian容rong串chuan的de可ke用yong電dian壓ya範fan圍wei使shi單dan個ge串chuan聯lian串chuan具ju有you優you勢shi。例li如ru，如ru果guo有you一yi個ge需xu要yao5V偏壓的負載
，則SW2需要的電壓為6V左右（考慮到其最大占空比和其他壓差因素）。 

●電容中的能量W=CV^2/2，可用能量W= C/2(Vcharge^2 - Vdicharge^2) 

 

●對於每串4個電容的兩個電容串，可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)^2-6V^2)] = 201.6J 

 

●對於包含8個電容（串聯）的單個電容串，可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)^2-6V^2)] = 269.1J 

 

因為兩個電容組可存儲相同的總能量
，所以電壓較低的電容串的充電浪費/不可用百分比更大。在本例中，優先選擇更高的電容串電壓，以充分利用超級電容。 

 

第三個係統挑戰來自如何為超級電容組充電。一開始，當超級電容電壓為0時，由於高電容值，SW1 需要在類似輸出短路的條件下工作相當長時間。常規 SW1 可能陷於打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護超級電容和 SW1
，在充電階段開始時需要附加的電流限製功能。一種令人滿意的解決方案是讓 SW1 在幾乎無輸出電壓的條件下提供加長時間的連續充電電流。 

 

為超級電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓（CICV）是常用的首選方法，如圖2（CIVE曲線）所示。在充電周期開始時，充電器件（SW1）在(zai)恒(heng)定(ding)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)下(xia)工(gong)作(zuo)
，向(xiang)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)恒(heng)定(ding)電(dian)流(liu)，使(shi)得(de)其(qi)電(dian)壓(ya)呈(cheng)線(xian)性(xing)增(zeng)加(jia)。在(zai)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)至(zhi)目(mu)標(biao)電(dian)壓(ya)時(shi)，恒(heng)定(ding)電(dian)壓(ya)回(hui)路(lu)激(ji)活(huo)並(bing)準(zhun)確(que)地(di)控(kong)製(zhi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)電(dian)平(ping)，使(shi)之(zhi)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)
，以(yi)避(bi)免(mian)過(guo)度(du)充(chong)電(dian)。同(tong)樣(yang)，該(gai)優(you)先(xian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)也(ye)提(ti)出(chu)了(le)對(dui)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)功(gong)能(neng)的(de)要(yao)求(qiu)
，需(xu)要(yao)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)加(jia)以(yi)考(kao)慮(lv)。

圖2.CICV超級電容充電控製

 

再以圖1為例，在48V主電源、25V超級電容組電壓以及3.3V、5V
、12V等負載電壓的情況下


，為SW1和SW2選擇同步降壓功能是合適的。由於主要挑戰與超級電容充電有關
，所以針對SW1的選擇非常重要。針對SW1的理想解決方案對電源管理功能的要求是能夠在高輸入（48V）和輸出（25V）電壓下工作，同時提供CICV調製功能。 

 

為說明超級電容充電行為

，我們以同步降壓穩壓器為例。說明其關鍵問題和解決技術，並使用實驗波形來幫助理解。

圖3.實現CICV超級電容充電控製的同步降壓穩壓器簡化原理圖

 

圖3顯示了用Intersil的ISL78268控製的實現CICV模式的同步降壓穩壓器的簡化原理圖。為了在CICV控製下將超級電容組充電到25V，在選擇控製器時考慮了以下功能： 

 

1. 能在VIN>= 48V和VOUT>= 25V條件下工作的同步降壓控製器。 

 

2. 恒定電流和恒定電壓調節能力，可自動切換調節模式。 

 

3. 在係統供電電壓範圍實現準確的電流感測輸入以實現CI模式。參考圖3
，控製器可感測電感器的連續電流
，即充電電流。控製器的電流感測放大器必須能夠承受共模電壓
，在本例中為25V。 

 

圖4顯示了ISL78268同步降壓控製器的一小部分功能框圖。如圖所示
，有兩個獨立的誤差放大器，分別標記為Gm1和Gm2，用於實現恒定電壓（Gm1）和恒定電流（Gm2）。 

 

誤差放大器Gm1用於CV閉環控製。它比較FB的反饋電壓與內部1.6V參考電壓

，並在COMP引腳產生誤差電壓。FB引腳從輸出電壓連接至一個電阻分壓器，並設置為當輸出電壓為預期電壓水平時FB電壓為1.6V。於是COMP電壓即代表預期輸出電壓與實際輸出電壓之差。然後比較COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號，來控製輸出電壓
，使之保持恒定。 

 

誤差放大器Gm2用於CI閉環控製。它比較IMON/DE引腳電壓與內部1.6V參考電壓，並在COMP引腳產生誤差電壓。IMON/DE引腳電壓是內部產生的，代表平均輸出電感電流負載值。因此
，COMP電壓在Gm2回路激活時（Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個回路是激活的）代表預期輸出電流與實際輸出電流之差。然後COMP與電感電流相比較
，以生成PWM信號，來控製輸出電壓，使之保持恒定。 

 

在超級電容電壓達到目標電壓之前的充電階段
，由Gm2的輸出來驅動COMP引腳
，產生PWM輸出，以實現CI控製。當超級電容電壓達到目標值時
，充電電流減小，引起IMON/DE引腳電壓降低和CI回路斷開（當IMON/DE<1.6V時）
，於是CV回路自然地接管對COMP的控製，從而保持輸出電壓恒定。 

ISL78268降壓控製器既有峰值電流模式的PWM控製器（可靠的逐周期峰值電流調製器），也有非常適用於超級電容充電的外部恒定平均電流回路。

圖4.ISL78268 CICV回路簡化框圖

 

現在，我們可以重點介紹已實現的超級電容充電實現方案。圖5、6和7顯示了由ISL78268控製，來為超級電容組（12節50F/2.7V串聯電容）充電的同步降壓控製器的實驗波形。超級電容將通過主電源充電至25V。

圖5.超級電容充電的實驗波形

 

圖5顯示超級電容充電有多個階段。開始時
，在第1階段，Vo幾乎為0。ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號還未達到1.6V（期望充電電流的參考值），所以CI回路還未接通（engage）。在此階段
，電感器的峰值電流被逐周期限製於固定的OC閾值。在VOUT處於低水平（FB<0.4V）的充電階段開始時，開關頻率最大值被限製在50kHz，以預防所提到的因為低VOUT時的峰值電流限製而引起的電感器失控問題。 

圖6顯示了第1階段的波形的放大圖。第2階段從IMON/DE引腳電壓（黃色跡線）達到1.6V時開始。在此階段，CI回路接通並拉低COMP信號（青色跡線），從而開始穩定輸出電流並使IMON/DE引腳電壓保持恒定。IMON/DE引腳電壓代表所感測的平均輸出電流信號。IL波形（綠色跡線）顯示平均電流在第2階段被控製為恒定水平。輸出電壓波形（粉色跡線）顯示超級電容被恒定充電電流以線性方式充電。

圖6.超級電容充電第1階段的實驗波形放大

 

第3階段從FB引腳檢測到0.4V電壓開始（圖7）。該觸發之後恒定電流穩定回路將完全接通，所以開關頻率可自動調節至預編程的300kHz。在更高的開關頻率下，電感電流紋波（綠色跡線）顯著減小。輸出電壓（粉色跡線）繼續呈線性增加，表示超級電容被線性充電。

圖7.超級電容充電的實驗波形

 

回到圖5，第3階段一直到Vo達到25V的目標電壓時結束。此時，CV回路接通並穩定輸出電壓。平均電流回路斷開。圖5顯示輸出電壓（粉色跡線）趨平且電感電流降低。代表平均充電電流的IMON/DE引腳電流也下降，表示恒定電流穩定過程結束。 

 

 

超級電容由於其固有物理特征對比傳統電池具有的優勢在汽車、gongyehexiaofeichanpinzhongbeiyongzuonengliangcunchujiejuefangan。weishichaojidianrongzudekecunchunengliangzuidahua
，zuijiafanganchangchangshichuanlianduogechaojidianrongdanyuanlaishixiangaodianrongzudianya。chongdianshi，zuihaoshiyongCICV方法來限製由於超級電容充電到恒定電壓期間的低ESRerchanshengdegaodianliu。hengdingdianliuhaikeyishichongdiansunhaokekongzhi，zhekeyijianshaosuoshengchengdereliangbingyanchangchaojidianrongdeshouming。yinci
，rangchongdiandianlurongrengaodianyabingtigongCICV控製功能是有益的。