超级电容器(或超级电容)适用于短充放电周期。他们需要高电流进行快速充电，高电压和高序列号，如两个用例所示：自动托盘穿梭巴士和故障安全备份系统。在这些和许多其他情况下，快速充电由基于同步降压超级电容器充电器控制器的灵活、高效、高电压和高电流充电器提供。
介绍
超级电容器(或超级电容器)由于其相对于电池的独特优势，越来越多地用于各种应用中。超级电容基于静电原理工作，没有化学反应，避免了电池化学储存相关的寿命问题。它们的高耐久性允许数百万次充放电循环，使用寿命长达20年，比电池高一个数量级。它们的低阻抗可以在几秒钟内实现快速充电和放电。这一点，加上其长时间保持电荷的中等能力，使超级电容器成为需要短充放电周期的应用的理想选择。它们也与电池并联使用，用于在负载切换期间需要瞬时功率输送峰值的应用。
超级电容器的短充放电周期需要能够处理大电流的充电器。充电器在充电过程中必须在恒流(CC)模式下平稳工作，通常从0V开始，达到最终输出值后在恒压(CV)模式下工作。在高压应用中，许多超级电容器串联连接，需要充电器来管理高输入和输出电压。
在这个设计解决方案中，我们将讨论两个用例：存储设施中的自动托盘穿梭器和故障安全阀门执行器中的短期备用系统。随后，我们将推出同步降压超级电容器充电器，由于其高输出电流和宽输入输出电压范围，可以处理大量的工业和消费应用。
案例研究：自动托盘穿梭巴士
现代仓储设施由一个或多个货架单元组成，每个楼层都有大量的过道，用于储存数千个托盘。转运车为每个存储通道服务，而电动穿梭车在通道中来回移动托盘。
自动托盘穿梭巴士是使用超级电容器作为其主要电源的理想应用。超级电容上车几秒钟就能快速充电。通道内的自主穿梭飞行只持续几秒钟，每次飞行所需能量有限，电力由超级电容器提供。班车随时可用，可以24小时连续运行，保证了高耐用性，无需维护。
图2示出了基于两个串联超级电容器的电源系统，每个超级电容器具有400F和2.7V的额定电压.超级电容器组装在托盘穿梭车上，充电器已经在转运车上。充电器从V. Bus=24V获得电源。在航天飞机飞行之间的对接时间内，它以V=5V的电压为200F超级电容器组(C)充电，并储存电荷：
Q=C V=200 5=1000库仑。
在20A的充电电流下，超级电容器将在t=50s(Q/I)内被充电。托盘滑块上的升压转换器将5V输入电压升压至VM=12V，以5A电流驱动电机。忽略损耗，升压转换器的输入电流为：
该电流将以下列速率对超级电容器放电：
假设升压转换器的输入UVLO为3V，电容的放电范围为V=2V。因此，升压转换器将驱动电机一段时间：
图二。超级电容器为自动托盘穿梭巴士供电。
在83秒的完整装料/卸料(t t)周期中，一个托盘穿梭器理论上可以每小时支持43个托盘的移动。
案例研究：故障安全阀的执行器备份
在工业油和天然气流量控制的应用中，电源故障可能导致执行机构卡在操作位置，从而导致不安全的条件、事故或设备损坏。如果电源中断，故障安全阀门致动器备用系统将自动将阀门返回到安全应急位置。在传统的解决方案中，通过机械弹簧来执行返回到安全位置。对于超级电容器，如果出现电源故障，能量可以存储在超级电容器中，并且致动器可以移动到特定的紧急位置。超级电容器需要更少的空间，并且没有移动部件，确保了长的使用寿命和能量存储的低维护。
图3所示为基于10个超级电容串联的供电系统，每个超级电容的额定电压为3400F和2.7V，正常运行时，48V总线降至24V，为执行器驱动器供电，并为340F超级电容组(C)充电。
断电时，340F超级电容器向10A负载(I)供电。放电速率为0.03V/s (I/C)，放电范围为V=10V，执行器可驱动330s，足以将其移动到指定的应急位置。
图3。超级电容器供电的故障安全阀门执行器。
超级电容充电器解决方案
例如，MAX17701是一款高效、高压、同步、降压和超级电容充电器控制器，其设计工作在4.5V至60V (VDCIN)的输入电压范围内。输出电压可在1.25V至(VDCIN-4V)范围内编程。该器件使用外部N-MOSFET在输入电源侧提供or功能，从而防止超级电容向输入端放电。图4示出了先前在图2中讨论的托盘穿梭车应用的24V /5V /20A应用电路。
图4.5V/20A超级电容器充电器，带输入短路保护。
图5显示了24V输入和5V输出时应用电路的效率。该图还显示了8V和12V输入电压。
图5.5V/20A超级电容器充电器效率。
以托盘穿梭车为例，充电器效率极佳(90%)，输入电压为24V，输出电压为5V。在48V(85%)时，效率也非常好，这是讨论的第二个应用中使用的输入电压。
IC以恒定电流(图6中的CC模式)为超级电容器充电，精度为5%。超级电容器充电后，器件以1%的精度调整空载输出电压(CV模式)。
图6。充电器电流和电压曲线
IC提供安全定时器(TMR)功能来设置最大允许恒流(CC)模式充电时间。该器件的工作温度范围为40C至125C工业温度范围，采用24引脚4mm x 4mm TQFN封装，带裸露焊盘。
结论
超级电容器的独特功能使其成为短充放电周期的理想选择，正如我们讨论的两个案例研究所示：现代存储设施中的自动托盘穿梭巴士和故障安全阀执行器的备用系统。短周期需要高充放电电流，串联超级电容器的使用将导致可能的输入和输出充电器电压范围很大，这取决于电容器的数量。因此，我们提出了一种灵活的充电器架构，具有高电流和高输入/输出电压，可以处理各种应用。
审计郭婷
标签：电容器电压放电