超級(jí)電容器（或超級(jí)電容器）適用于短充電和放電周期。它們需要高電流進(jìn)行快速充電，以及高電壓和高串聯(lián)數(shù)，如兩個(gè)用例所示：自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)和故障安全備份系統(tǒng)。在這些和許多其他情況下，快速充電由基于同步降壓超級(jí)電容器充電器控制器的靈活、高效、高電壓和高電流充電器提供。

介紹

超級(jí)電容器（或超級(jí)電容器）由于其相對(duì)于電池的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在各種應(yīng)用中的使用越來(lái)越多。超級(jí)電容器基于靜電原理工作，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲(chǔ)相關(guān)的壽命問(wèn)題。它們的高耐用性允許數(shù)百萬(wàn)次充電/放電循環(huán)，使用壽命長(zhǎng)達(dá) 20 年，比電池高一個(gè)數(shù)量級(jí)。它們的低阻抗可在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速充電和放電。這一點(diǎn)，再加上它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間保持電荷的中等能力，使超級(jí)電容器成為需要短充電和放電周期的應(yīng)用的理想選擇。它們還與電池并聯(lián)使用，用于在負(fù)載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時(shí)功率輸送峰值的應(yīng)用中。

超級(jí)電容器的短充電和放電周期需要能夠處理高電流的充電器。充電器必須在充電期間以恒流 （CC） 模式平穩(wěn)工作，充電通常從 0V 開(kāi)始，并在達(dá)到最終輸出值后以恒壓 （CV） 模式工作。在高壓應(yīng)用中，許多超級(jí)電容器串聯(lián)連接，需要充電器來(lái)管理高輸入和輸出電壓。

在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們將討論兩個(gè)用例：存儲(chǔ)設(shè)施中的自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)和故障安全閥門(mén)執(zhí)行器中的短期備用系統(tǒng)。隨后，我們將介紹一種同步降壓型超級(jí)電容器充電器，由于其高輸出電流和寬輸入和輸出電壓范圍，可以處理大量的工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。

案例研究：自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)

現(xiàn)代存儲(chǔ)設(shè)施由一個(gè)或多個(gè)貨架單元組成，這些單元在各個(gè)樓層上具有大量通道，用于存儲(chǔ)數(shù)千個(gè)托盤(pán)。轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)服務(wù)于每個(gè)存儲(chǔ)通道，而電動(dòng)穿梭車(chē)則在通道內(nèi)來(lái)回移動(dòng)托盤(pán)。

自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)是使用超級(jí)電容器作為其主要電力來(lái)源的理想應(yīng)用。超級(jí)電容器在上車(chē)時(shí)可在幾秒鐘內(nèi)快速充電。通道內(nèi)的自主穿梭飛行僅持續(xù)幾秒鐘，每次飛行所需的能量有限，電力由超級(jí)電容器提供。穿梭車(chē)始終可用，可以全天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，確保高耐用性，無(wú)需任何維護(hù)。

圖2顯示了基于兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器的電源系統(tǒng)，每個(gè)超級(jí)電容器的額定電壓為400F和2.7V。超級(jí)電容器集合在托盤(pán)穿梭車(chē)上，而充電器已經(jīng)在轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上。充電器從V獲取電力總線= 24V。在航天飛機(jī)飛行之間的對(duì)接時(shí)間內(nèi)，它以電壓V = 5V為200F超級(jí)電容器集合（C）充電，并存儲(chǔ)電荷：

Q = C × V = 200 × 5 = 1000 庫(kù)侖

在20A充電電流下，超級(jí)電容器將在t = 50s（Q / I）內(nèi)充電。 托盤(pán)滑塊上的升壓轉(zhuǎn)換器將 5V 輸入電壓提升至 VM = 12V，以幫助以 5A 電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。忽略損耗，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流將為：

該電流將以以下速率使超級(jí)電容器放電：

假設(shè)升壓轉(zhuǎn)換器輸入U(xiǎn)VLO為3V，則電容放電范圍為ΔV = 2V。因此，升壓轉(zhuǎn)換器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)一段時(shí)間：

圖2.超級(jí)電容器為自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)提供動(dòng)力。

在 83 秒的全充/放電 （t + t） 循環(huán)中，單個(gè)托盤(pán)穿梭車(chē)?yán)碚撋峡梢灾С置啃r(shí) 43 個(gè)托盤(pán)的移動(dòng)。

案例研究：故障安全閥執(zhí)行器備份

在工業(yè)石油和天然氣流量控制應(yīng)用中，電源故障有可能使執(zhí)行器卡在操作位置，導(dǎo)致不安全條件、事故或設(shè)備損壞。如果電源中斷，故障安全閥門(mén)執(zhí)行器備份系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將閥門(mén)返回到安全的緊急位置。在傳統(tǒng)解決方案中，返回安全位置由機(jī)械彈簧執(zhí)行。對(duì)于超級(jí)電容器，如果發(fā)生電源故障，可以將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，將執(zhí)行器移動(dòng)到特定選擇的緊急位置。超級(jí)電容器需要更少的空間，并且沒(méi)有移動(dòng)部件，確保儲(chǔ)能具有較長(zhǎng)的使用壽命和低維護(hù)。

圖3顯示了基于10個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器的電源系統(tǒng)，每個(gè)超級(jí)電容器的額定電壓為3400F和2.7V。在正常工作期間，48V總線降壓至24V，為執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器供電，同時(shí)為340F超級(jí)電容器集合（C）充電。

在電源故障的情況下，340F 超級(jí)電容器為 10A 負(fù)載 （I） 供電。放電速率為0.03V/s （I/C），放電范圍為ΔV = 10V，執(zhí)行器可驅(qū)動(dòng)330s，足以將其移動(dòng)到指定的緊急位置。

圖3.超級(jí)電容器供電的故障安全閥執(zhí)行器。

超級(jí)電容器充電器解決方案

例如，MAX17701為高效率、高電壓、同步、降壓、超級(jí)電容充電器控制器，設(shè)計(jì)工作在4.5V至60V輸入電壓范圍（VDCIN）。輸出電壓可在 1.25V 至 （VDCIN - 4V） 范圍內(nèi)進(jìn)行編程。該器件使用一個(gè)外部 N-MOSFET 來(lái)提供輸入電源側(cè) ORing 功能，從而防止超級(jí)電容器放電回輸入端。圖 4 顯示了一個(gè) 24V在/5V外圖2前面討論的托盤(pán)穿梭車(chē)應(yīng)用的/20A應(yīng)用電路。

圖4.5V/20A超級(jí)電容充電器，帶輸入短路保護(hù)。

圖5顯示了該應(yīng)用電路在24V輸入和5V輸出時(shí)的效率。圖中還顯示了 8V 和 12V 輸入電壓。

圖5.5V/20A 超級(jí)電容器充電器效率。

在托盤(pán)穿梭車(chē)用例中，充電器效率非常出色（> 90%），輸入電壓為 24V 和 5V 輸出。在48V（>85%）時(shí)，效率也非常好，這是討論的第二個(gè)應(yīng)用采用的輸入電壓。

IC以±5%精度的恒定電流（圖6中的CC模式）為超級(jí)電容器充電。超級(jí)電容器充電后，器件以±1%的精度調(diào)節(jié)空載輸出電壓（CV模式）。

圖6.充電器電流和電壓曲線

該 IC 提供安全定時(shí)器 （TMR） 功能，用于設(shè)置允許的最大恒流 （CC） 模式充電時(shí)間。該器件的工作溫度范圍為?40°C至+125°C工業(yè)溫度范圍，采用帶裸焊盤(pán)的24引腳4mm x 4mm TQFN封裝。

結(jié)論

超級(jí)電容器的獨(dú)特功能使其成為短充電和放電循環(huán)的理想選擇，如我們討論的兩個(gè)案例研究所示：現(xiàn)代存儲(chǔ)設(shè)施中的自動(dòng)托盤(pán)穿梭車(chē)和故障安全閥門(mén)執(zhí)行器備份系統(tǒng)。短周期需要高充電和放電電流，而串聯(lián)超級(jí)電容器的使用會(huì)導(dǎo)致可能的輸入和輸出充電器電壓范圍很大，具體取決于電容器的數(shù)量。因此，我們提出了一種靈活的充電器架構(gòu)，具有高電流和高輸入/輸出電壓，可以處理各種應(yīng)用。

審核編輯：郭婷