超級電容器（或超級電容器）適用于短充電和放電周期。它們需要高電流進行快速充電，以及高電壓和高串聯數，如兩個用例所示：自動托盤穿梭車和故障安全備份系統。在這些和許多其他情況下，快速充電由基于同步降壓超級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

超級電容器（或超級電容器）由于其相對于電池的獨特優勢，在各種應用中的使用越來越多。超級電容器基于靜電原理工作，沒有化學反應，避免了與電池化學存儲相關的壽命問題。它們的高耐用性允許數百萬次充電/放電循環，使用壽命長達 20 年，比電池高一個數量級。它們的低阻抗可在幾秒鐘內實現快速充電和放電。這一點，再加上它們在長時間保持電荷的中等能力，使超級電容器成為需要短充電和放電周期的應用的理想選擇。它們還與電池并聯使用，用于在負載轉換期間需要瞬時功率輸送峰值的應用中。

超級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） 模式平穩工作，充電通常從 0V 開始，并在達到最終輸出值后以恒壓 （CV） 模式工作。在高壓應用中，許多超級電容器串聯連接，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

在此設計解決方案中，我們將討論兩個用例：存儲設施中的自動托盤穿梭車和故障安全閥門執行器中的短期備用系統。隨后，我們將介紹一種同步降壓型超級電容器充電器，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和消費應用。

案例研究：自動托盤穿梭車

現代存儲設施由一個或多個貨架單元組成，這些單元在各個樓層上具有大量通道，用于存儲數千個托盤。轉運車服務于每個存儲通道，而電動穿梭車則在通道內來回移動托盤。

自動托盤穿梭車是使用超級電容器作為其主要電力來源的理想應用。超級電容器在上車時可在幾秒鐘內快速充電。通道內的自主穿梭飛行僅持續幾秒鐘，每次飛行所需的能量有限，電力由超級電容器提供。穿梭車始終可用，可以全天 24 小時連續運行，確保高耐用性，無需任何維護。

圖2顯示了基于兩個串聯超級電容器的電源系統，每個超級電容器的額定電壓為400F和2.7V。超級電容器集合在托盤穿梭車上，而充電器已經在轉運車上。充電器從V獲取電力總線= 24V。在航天飛機飛行之間的對接時間內，它以電壓V = 5V為200F超級電容器集合（C）充電，并存儲電荷：

Q = C × V = 200 × 5 = 1000 庫侖

在20A充電電流下，超級電容器將在t = 50s（Q / I）內充電。 托盤滑塊上的升壓轉換器將 5V 輸入電壓提升至 VM = 12V，以幫助以 5A 電流驅動電機。忽略損耗，升壓轉換器的輸入電流將為：

該電流將以以下速率使超級電容器放電：

假設升壓轉換器輸入UVLO為3V，則電容放電范圍為ΔV = 2V。因此，升壓轉換器將驅動電機一段時間：

圖2.超級電容器為自動托盤穿梭車提供動力。

在 83 秒的全充/放電 （t + t） 循環中，單個托盤穿梭車理論上可以支持每小時 43 個托盤的移動。

案例研究：故障安全閥執行器備份

在工業石油和天然氣流量控制應用中，電源故障有可能使執行器卡在操作位置，導致不安全條件、事故或設備損壞。如果電源中斷，故障安全閥門執行器備份系統會自動將閥門返回到安全的緊急位置。在傳統解決方案中，返回安全位置由機械彈簧執行。對于超級電容器，如果發生電源故障，可以將能量存儲在超級電容器中，將執行器移動到特定選擇的緊急位置。超級電容器需要更少的空間，并且沒有移動部件，確保儲能具有較長的使用壽命和低維護。

圖3顯示了基于10個串聯超級電容器的電源系統，每個超級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，為執行器驅動器供電，同時為340F超級電容器集合（C）充電。

在電源故障的情況下，340F 超級電容器為 10A 負載 （I） 供電。放電速率為0.03V/s （I/C），放電范圍為ΔV = 10V，執行器可驅動330s，足以將其移動到指定的緊急位置。

圖3.超級電容器供電的故障安全閥執行器。

超級電容器充電器解決方案

例如，MAX17701為高效率、高電壓、同步、降壓、超級電容充電器控制器，設計工作在4.5V至60V輸入電壓范圍（VDCIN）。輸出電壓可在 1.25V 至 （VDCIN - 4V） 范圍內進行編程。該器件使用一個外部 N-MOSFET 來提供輸入電源側 ORing 功能，從而防止超級電容器放電回輸入端。圖 4 顯示了一個 24V在/5V外圖2前面討論的托盤穿梭車應用的/20A應用電路。

圖4.5V/20A超級電容充電器，帶輸入短路保護。

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

圖5.5V/20A 超級電容器充電器效率。

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

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

圖6.充電器電流和電壓曲線

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

結論

超級電容器的獨特功能使其成為短充電和放電循環的理想選擇，如我們討論的兩個案例研究所示：現代存儲設施中的自動托盤穿梭車和故障安全閥門執行器備份系統。短周期需要高充電和放電電流，而串聯超級電容器的使用會導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量。因此，我們提出了一種靈活的充電器架構，具有高電流和高輸入/輸出電壓，可以處理各種應用。

審核編輯：郭婷