混合电容器的恒压脉冲充电

总述
　　可充电储能电容器由于其灵活性、低维护要求和总成本较低而受到市场瞩目。
　　对于紧凑型应用，传统电解电容器是有益于环保的可选方案，并提供宽额定电压范围。但在输出要求超过几百毫瓦的情况下，它们会很快达到储能极限。
　　双电层电容器（EDLC）提供高功率、高能量密度和长工作寿命，但与电池一样，其工作电压较低。电子系统要求在这些技术之间达成平衡，亦即既具有传统电池与双层电容器的优点，又没有其缺陷。混合式ENYCAP™ 196 HVC电容器能够提供这一性能。为充分发挥产品性能，必须使用可靠的充电解决方案。本文指出恒压（CV）脉冲充电是最经济有效的解决方案。
　　混合电容器技术与性质
　　混合系统结合了静电储能和感应储能方法，因此有可能实现更快于电池的充电速度。混合电容器系统的功率密度可轻易超过电池，且能量密度显著高于双层电容器。
　　由于使用感应储能方法，所以混合电容器的工作电压范围较窄，与电池相似。虽然这种电压稳定性在许多应用中是有益的，但必须注意电容器电压和电流管理，以便在长工作寿命内保持最佳性能。
　　绝不能超过最大电芯电压。因此，为了获得最长使用寿命，电源管理必须确保工作电压绝对精确地处于规定的毫伏范围之内。
　　另外还要考虑流过混合电容器的电流与感应转换过程具有部分相关性。由于这些过程需要一定时间，所以在充电和放电时必须使最大允许电流保持一段时间。
　　混合电容器的自放电显著低于双电层电容器。例如，ENYCAP 196 HVC的自放电水平低于5%/天。
　　由于感应储能过程总包括一些物质转换，所以显然必须避免过度充电。即便 ENYCAP 196 HVC在此方面具有短时耐受力，但必须考虑在长时段内，如果没有合适的控制措施，即使低充电电流也会使电容器过度充电。
　　混合电容器的循环寿命性能优于电池。例如，ENYCAP 196 HVC能够实现5万次以上循环。
　　关于恒压脉冲充电的总述
　　对于要求储能器件持续处于高荷电态的应用，例如后备系统，建议使用恒压脉冲充电法（PCM）。脉冲充电法可在相当简单的电源管理环境中实现，并确保混合储能元件在建议限值与条件范围内安全工作。
　　脉冲充电是补偿自放电并避免经常或持久过充的首选方法，能大幅改善储能系统的使用寿命。
　　脉冲充电（或称间歇充电）可利用由定时器控制的恒压源来实现。电压源需要进行准确调节，以适应储能系统的充电电压。
　　典型的工作程序包含五个步骤（见图4）：
　　1. 初次充电步骤确保有充足的电能供下一次后备操作（荷载）使用
　　2. 通过检测储能元件的开路电压（OCV）检查可用电能
　　3. 监测健康状态（SOH）
　　4. 施加充电脉冲，以补偿自放电和后备荷载
　　5. 从第2步重新开始
　　注： 第2-5步补偿自放电效应并通过这种涓流充电使储能元件保持健康状态，同时还维持更长的时间。
　　标称电压
　　ENYCAP 196 HVC储能电容器由一个或更多独立电芯组成，各个电芯的额定电压UR为1.4 V。
　　因此，每个混合储能电容器为X个电芯以串联方式配置，额定电压UR为X * 1.4 V。
　　恒压充电
　　恒压脉冲充电
　　恒压充电是指通过在储能器件的端子上施加恒定电压UCVcharge进行充电的方法。对于恒压脉冲充电法，充电时间另外还受开关SW1的限制，而SW1由适当的算法控制。
　　
　　对于所考虑的系统与电压，由此产生的充电电流Icharge取决于储能元件的荷电状态（SOC）。荷电状态越低，充电电流Icharge一般越高。
　　依据欧姆定律可判定：
　　1. 荷电状态越低，充电电流Icharge越高
　　2. 施加的电压UCVcharge越高，充电电流Icharge越高
　　根据第1点，充电电流会随着荷电状态升高而减小。这是一种负面效应，因为充电时间会因为充电电流减小而延长。根据第2点，UCVcharge增加时Icharge也会增加，并因此缩短充电时间。
　　但只要施加了源电压，UCVcharge升高就会导致高残余充电电流。所以必须确保系统在满充后不会过度充电。
　　约束条件
　　所有类型的储能元件都要求下列参数保持在规格范围之内：
　　• 最大和最小充电电压
　　• 最大充电电流
　　• 荷电状态：必须限制充电量Q = ∫ Icharge * dt，以免过充
　　• 温度
　　充电电流
　　Q = ∫ Icharge * dt 应当加以限制，以避免过充（》 100 %荷电状态）。这样即可实现由定时器控制的间歇或脉冲充电法。
　　该过程还会限制极低残余充电电流在长时间内的负面影响，并确保产品具有最长的使用寿命。
　　待充电量可由充电源的“ON时间”控制。需要按照产品规范选择需要的电量Q = ∫ Icharge * dt。
　　最大充电电流通常由储能元件的类型和尺寸而定。
　　ENYCAP适用以下参数：
　　
　　针对UCVcharge增加的安全区已得到考虑，并且列于“充电电压”部分的表2。
　　充电电压（带温度补偿）
　　正确的充电电压依赖温度条件（见图1）。
　　温度影响充电电压的原因有二：
　　1. 电化学反应依赖温度条件
　　2. 电芯的内阻会随温度变化而变化
　　这两个效应导致每个电芯具有-1 mV / 1 °C的线性电压相依性。
　　
　　图1 – 充电电压是温度的函数
　　表2显示了20 °C时标准配置的正确充电电压。
　　
　　充电电压的温度补偿是一个优势，可确保在宽温度范围内的全功能工作，但不是每个应用都必须这样做（见下节内容）。
　　充电电压（无温度补偿）
　　ENYCAP 196 HVC混合储能电容器没有温度补偿也能充电。这些情况下应考虑一些约束条件，以便在必须支持极宽温度范围时延长使用寿命。
　　如果充电电压完全不可调节，则应设置充电的上限电压及温度限值；通常可设置为每电芯1.4 V和60 °C（图2）。
　　在较低温度时使用该固定电压进行充电不会损害电芯。但在较低温度时，充电效率降低且混合电容器无法满充。
　　图2显示了在仅能提供每电芯1.4 V充电电压情况下的局限。
　　
　　图2 – 每电芯1.40 V充电电压与温度的关系
　　如能提供两种或三种充电电压，则有可能在整个温度范围上实现逐步逼近（见图3）。
　　
　　图3 – 三种电压情况下的逐步逼近
　　脉冲充电法
　　流程图
　　
　　图4 – 使用脉冲充电法的后备系统的工作流程图
　　开路电压检查
　　必须定时测量开路电压（OCV）。如果每个电芯的开路电压低于1.29 V，则必须施加初次充电循环（见图1）。
　　每秒测量一次已经足够。根据电路情况，增加测量次数会造成额外的漏电流，应避免出现这种情况。
　　正常工作/维护充电
　　短时充电脉冲（通常每隔约6-12小时持续1-3分钟）会使混合电容器充电并补偿自放电（典型性质见图5，示例见图6）。
　　控制维护充电及充电量的最简单方法是使用定时器。每个充电脉冲过后，OVC将在“源OFF”阶段期间“休息”（relax）。
　　这种脉冲充电（或称间歇充电）模式是可能的，因为ENYCAP 196 HVC混合电容器的电荷保持力（低自放电率）优于传统双电层电容器。