不间断电源超级电容充电控制技术探讨
分析超级电容器储能系统充放电控制对策
实验研究超级电容器是一种介于传统电容器和蓄电池之间的一种储能装置，在实际应用中的优势比较突出，受到广泛的关注。
现阶段，对高级电容器的研究在持续性深入，而随着研究的加深发现超级电容器储能系统在充放电的过程中会存在不稳定等情况，如果此种情况得不到很好的控制，超级电容器的利用价值会大打折扣，所以对超级电容器储能系统充放电控制对策做分析讨论现实价值显著。
1 超级电容器充电特性分析对超级电容器的充电特性分析，具有重要的价值。
从资料研究可知，超级电容器的充放电过程属于可逆的物理过程。
充电工作中看，数分钟甚至是数秒钟的时间，电量可以达到额定电容的90%以上。
正是因为超级电容器的充电具有快速型特点，所以目前的研究人员正在积极的对其进行研究，旨在将其应用到手机领域。
超级电容器的应用模型比较多，而利用最为突出的是经典等效模型。
其他的形式，比如传输线性、频域型等模型在实际仿真中比较困难，其利用受到了限制。
对超级电容器做具体的分析可知其单电压比较低，在实际应用中，其主要的应用形式为串并联形式，此形式的利用能够有效的增加端电压以及总体的容量。
比较常见的充电均压形式来讲，主要有开关电阻法、稳压管法等等。
在实践中，一种全新的均压方式正在被利用和推广，这种方式有效的利用超级电容器本身损耗低、动态响应快以及功率密度低等显著优势，在具体的操作中利用单体电容的相互作用实现的均压[1]。
在均衡条件下，各单体电容电压的稳定性显著，而且均衡电路能够在很短时间内对个单体容量不同、初始电压不同的超级电容器组实现均压，而且整个过程的原理比较的简单。
在均压的过程中，附加能量耗损以及额外均压元件情况均没有出现。
能够快速的达到理想的状态。
超级电容器的充电特性分析对了解超级电容器的具体特征有重要的意义，而且充电效果的好坏与超级电容器的具体价值发挥有显著的作用，利用资料分析研究超级电容器在充电方面的突出特点，做超级电容器充放电控制的时候，具体的控制对策采取会更具针对性。
含超级电容器的混合储能充放电控制方法研究
含超级电容器的混合储能充放电控制方法研究针对当风力功率出现波动，蓄电池因充放电速度慢，无法使直流母线上的电压快速恢复稳定的情况。
提出一种混合储能单元采用分阶段充电、限流恒压放电的充放电策略。
仿真结果表明：该方法能够平稳地输出电流，显著提升电网侧母线电压输出的稳定性。
标签：蓄电池;超级电容;稳定电压1 引言基于化石能源的危机以及环境的压力，风机、光伏的装机容量不断扩大。
然而，其具有的随机性与不稳定性会对电网安全运行造成影响[1-2]。
储能装置依靠自身充放电特性可有效抑制分布式能量输出的波动，提高电网的稳定性和可靠性。
目前，蓄电池在生活中被广泛使用。
其价格便宜，还有较高的能量密度，能够满足日常分布式发电系统对能量密度的要求。
但是，由于其自身内部条件限制，其功率密度相对较小，且无法快速充电或放电，循环寿命较短。
如果要以蓄电池为电源来满足波动性负载功率需求，那将需配置极大容量的蓄电池。
不仅蓄电池体积过于庞大，还将会增大投资和容量浪费;超级电容器能快速充电，而且具有循环寿命较长的特点，但是因其容量较低所以不能用作大规模电力的存储装置。
所以，可以结合二者的能量特性，能充分利用电池的高能量密度和超级电容器的快速充放电特点的混合储能单元的研究得到广泛关注[3]。
2 系统结构能量存储单元由超级电容和电池组成，两者通过转换器并联连接到直流母线以形成混合能量存储系统。
为简化模型，仅仅以风能作为分布式电源。
双向DC/DC元件可将直流电变为另外一种输出特性的直流电，且在工作时能针对实际情况抑制功率波动，实现电池双向流动，对电池能量进行控制和管理。
其拓扑如图1所示。
双向DC/DC器件电路内部拥有两个开关管S1和S2。
通过控制两个开关的占空比D，可以满足实际所需的电流流动方向，例如低压侧电流可以流向高压侧，并且高压侧电流也可以流向低压侧，这与储能电池的充放电特性完美匹配。
在升压模式下工作时，双向DC/DC转换器中的开关S2完全打开，开关S1在打开和关闭之间连续切换。
超级电容充电方案
超级电容充电方案引言超级电容（也称为超级电容器或超级电容电池）是一种能量存储装置，具有高容量、高能量密度、高电流输出和长寿命的特点。
在许多应用中，超级电容在充电方案中起到重要作用。
本文将探讨一种针对超级电容的充电方案，以提供高效、可靠和安全的充电解决方案。
背景超级电容充电是将电荷存储在正负极板之间的过程。
根据超级电容的特性，其电荷和放电速度很高，因此需要采用一种合适的充电方案，以确保充电效率和电池寿命。
充电方案步骤一：选择适当的电源在选择适当的电源时，应考虑超级电容的额定电压和最大充电电流。
通常，充电电压应略高于超级电容的额定电压，以确保充电的稳定性。
同时，充电电流应限制在超级电容的最大充电电流范围内，以避免对电池造成损害。
步骤二：充电电路设计设计一个合适的充电电路可以确保充电的效率和安全性。
以下是一个基本的超级电容充电电路设计示例：+---------+ +------------+ +--------+| | | | | |电源电压 ----+--| 电源 +-----+ 电荷控制 +-----+ 超级电容 || | 控制 | | 电路 | | || +---------+ +------------+ +--------+|| +---------+| | |充电电流 ----+-------------+ 充电 || | 电路 || +---------+|| +---------+| | |接地线 ----+-------------+ 接地 || 电路 |+---------+充电电路由电源控制电路、充电电路和接地电路组成。
电源控制电路控制电源的输出电压和电流，并为充电电路提供足够的电量。
充电电路负责将电流传送到超级电容中，以实现充电。
接地电路能够提供一个可靠的接地连接，以确保充电过程的安全性。
步骤三：充电管理系统在超级电容充电方案中，充电管理系统应该被集成。
充电管理系统可以监测超级电容的电压和充电电流，并根据需要调整充电电流和电压。
对超级电容高效充放电的研究
- 23 -高 新 技 术０ 引言随着时代的进步，针对自然资源紧缺、污染严重等问题，无线充电技术迅速发展，基于无线充电原理的各种新型设备逐渐进入人们的生活中。
绿色环保的超级电容可以作为极优的承载工具，具有充电速度快、循环使用寿命长、能量转换效率高等特点。
因此，超级电容完全可以辅助无线充电，通过对超级电容充放电的理论和实践研究，可以更快地储存能量并且更加高效地利用能量。
１ 理论综述１．１ 超级电容的充放电理论及物理模型分析由于储能本质原理的不同，超级电容的工作原理也不同，具体可分为双电层电容和法拉第准电容2类。
下面以法拉第准电容为例简述其工作原理，在电极表面及其附近或处于体相中的（准）二维空间上，发生氧化还原反应及化学吸脱附反应，得到和电极充电电位值相关联的电容。
其保存电荷的过程包含双电层的电荷存储和电解液中离子因氧化还原产生的电荷储存，并相应保存在电容电极中。
电解液中正负离子如H +、OH -、K +等，在外加电场的吸附作用下，从电解液中扩散到电极和溶液的界面处，在界面上进行氧化还原反应后，再次回到电极表面活性氧化物的体相中，这样就会使大量的电荷被存储在电极中。
在进行放电时，凡是在氧化物中的离子又会通过上面所描述的氧化还原逆反应重新返回电解液中，同时通过外电路释放之前储存的电荷。
以上就是法拉第准电容充放电的基本原理。
在对超级电容进行物理模型分析时，参数SOC 是用于标定当前电池容量的状态参数，利用准确性、可靠性高的状态参数可以对电池进行一定的控制，进而更有效地利用电容组，并且在一定程度上可以延长电池的使用寿命。
根据一阶非线性模型，通过电路关系方程，结合安时计量法，可得SOC 的非线性方程，如公式（1），（2）所示。
（1）SOC（t ）SOC（t 0）d tU C （t ） =F [SOC（t ）] （2）式中：SOC（t ）表示t 时刻超级电容的荷电状态，其中SOC（t 0）表示初始时刻的电容荷电状态，I （t ）表示流过电容的电流，Q 0是超级电容的额定容量， F [SOC（t ）] 是电容SOC 与电容两端电压的非线性关系，U C （t ） 表示电容两端的电压值，因此得到在考虑电流积分情况下的超级电容模型。
超级电容充电装置的研究与设计
超级电容充电装置的研究与设计超级电容充电装置的研究与设计引言超级电容器，又称超级电容（supercapacitor），是一种能量存储装置，其具有高功率密度、储能效率高和长寿命等优点。
在现代科技的发展中，超级电容器正逐渐成为替代传统电池的重要能量存储元件。
为了使超级电容器在实际使用中具有更好的性能，研究与设计超级电容充电装置变得尤为重要。
一、超级电容器的特点超级电容器是一种特殊的电容器，具有以下几个显著特点： 1. 高功率密度：超级电容器的特殊结构和电化学体系使其能够在短时间内释放出大量的电能，具有很高的功率密度。
2. 长寿命：与传统电池相比，超级电容器具有更长的循环寿命。
这是因为超级电容器的储能原理是通过离子在电解质中的迁移，而非传统电池的化学反应。
3. 快速充放电：超级电容器的充放电速度非常快，通常只需要几秒钟到几分钟就能完成，能够应对短时间大功率需求。
二、超级电容充电装置的研究1. 充电电路超级电容充电装置的核心是充电电路，其设计必须满足充电过程中的电流和电压要求。
通常，充电电路采用开关电源与直流稳压电源相结合的方式，以确保超级电容器在充电过程中能够保持稳定。
2. 充电模式常见的超级电容充电模式有恒压充电和恒流充电。
恒压充电是通过将电容器连接到一个固定电压源来实现充电，而恒流充电则是通过控制充电电流来实现的。
不同的充电模式对超级电容的充电速度和充电效果有影响，因此选择适合的充电模式非常重要。
三、超级电容充电装置的设计1. 充电电压选择超级电容器的电压范围通常在2.5V到5.5V之间，因此在设计充电装置时，需要选择一个适宜的充电电压。
充电电压过高，可能会导致电容器电解质的损坏；充电电压过低，则会增加充电时间。
2. 充电电流控制为了保护超级电容器和延长其使用寿命，控制充电电流非常重要。
通常，充电电流控制在超级电容器额定电流的80%左右，以防止电流过大对超级电容器的损害。
3. 充电时间超级电容器的充电时间与充电电流和电容器的电容量有关。
超级电容充电器的研究现状
超级电容充电器的研究现状超级电容充电器的研究现状0 引言目前，国内外充电机比较常用的充电方式有：恒压充电、恒流充电、恒流转恒压充电、脉冲电流充电以及恒功率充电等。
恒压充电是指在充电的过程中，对电池进行恒定电压的充电，因此充电时充电电流将会越来越小。
当充电电流减小到某一数值时，则电池充满，停止充电。
恒流充电是指在充电的过程中，对电池进行恒定电流充电，因此充电时充电电压将越来越大。
当充电电压上升到某一数值时，则电池充满，停止充电。
恒流转恒压充电是指在充电的开始阶段采用恒流限压充电方式充电，当电池的端电压达到一定值后，再用恒压限流的方式充电。
脉冲电流充电是指在充电的过程中，对电池进行周期性脉冲电流充电。
充电时一个周期内包括了充电时间和间歇时间，充电时间内充电机用较大的电流对电池进行充电，间歇时间内停止充电，这种充电方式能减小电池在充电过程中的极化现象[1]。
恒功率充电是指对电池进行恒定功率的充电，当电流变小时则电压变大，当电压变小时则电流变大，通过这种方式保持充电机输出电压和输出电流的乘积（即输出功率）不变。
随着超级电容的产生，充电技术也不断的发展。
许多国家都加紧了针对超级电池充电机的研究。
但是超级电容充电特性不同于普通蓄电池，它的起始电压低至零伏，目前在国内外针对超级电容这一特性的高效充电装置研究还较少，一般都是使用有恒流限压功能的线性充电器，对于超级电容的充电特性来讲，这种常规充电方式效率会很低，尤其在充电起始阶段，其效率甚至低于5%。
1 国外研究现状上世纪70年代初，美国就开始了对动力电池充电器的研究工作，后来国外许多国家也纷纷加入其中，利用人工智能、模糊控制等先进技术[2]，改善了充电机的充电方式并取得了较好的效果。
传统功能简单的充电机发展成功能齐全、易于控制的智能型充电设备，这种改善后的智能充电机能够实现对电流、电压、充电电池温度等相关参数的监测和显示；不仅能够实现充电策略的定制，而且还可以根据充电电池的种类以及电池状态来设定不同的充电方式；同时设计有各种充电保护电路，具有更高的安全性。
超级电容充电方案
超级电容充电方案引言超级电容是一种能够在很短时间内储存和释放大量电荷的电池，其具有高功率密度和长寿命的特点。
充电是超级电容器使用的重要环节，一个有效的充电方案能够更好地发挥超级电容器的优势。
本文将介绍超级电容充电方案的原理和常用的充电方式，以及一些注意事项。
超级电容充电原理超级电容的充电原理基于电荷储存在电容器的两个极板之间的原理。
充电过程中，电荷从一个极板移到另一个极板，当电荷储存到一定程度时，超级电容器即充满电。
超级电容器的充电过程可以通过控制电流和电压来实现。
常用的超级电容充电方式恒流充电方式恒流充电方式是一种常用的超级电容充电方式。
充电过程中，通过限制充电电流的大小，使超级电容器的电流保持不变。
这种充电方式可以快速充满超级电容器，但需要注意控制充电电流的大小，以避免过高的电流损坏超级电容器。
恒压充电方式恒压充电方式是另一种常用的超级电容充电方式。
充电过程中，通过控制充电电压的大小，使超级电容器的电压保持不变。
这种充电方式可以保护超级电容器不受过高的电压影响，但充电时间较长。
恒功率充电方式恒功率充电方式是一种综合了恒流充电和恒压充电的充电方式。
充电过程中，通过控制充电电流和电压的大小，使超级电容器的功率保持不变。
这种充电方式可以兼顾充电时间和充电效率。
超级电容充电方案的注意事项电流和电压控制在选择超级电容充电方案时，需要注意控制充电电流和电压的大小，以避免过大的电流和电压对超级电容器的损坏。
温度控制超级电容器的充电过程中会产生一定的热量，需要注意对超级电容器的温度进行控制，避免温度过高对超级电容器的性能产生负面影响。
充电时间不同的充电方式和充电参数会对充电时间产生影响，需要根据实际需求合理选择充电方式和充电参数，以满足充电时间的要求。
结论超级电容充电方案是使用超级电容器的关键环节，恰当的充电方式和充电参数能够更好地发挥超级电容器的优势。
本文介绍了超级电容充电的原理和常用的充电方式，以及一些注意事项。
超级电容新型蓄电池充放电电路的预测控制
超级电容新型蓄电池充放电电路的预测控制超级电容新型蓄电池是一种能够快速放电和充电的新型能量储存
设备，具有高能量密度、长寿命、高效能等优点。
预测控制是一种控
制策略，能够通过历史数据的分析和建模来预测未来的电池充电和放
电需求，以此实现对电池充放电的精准控制和优化运行。
超级电容新型蓄电池的充放电过程是一个高度非线性的动态系统，其电压、电流和功率等参数都随着时间的推移而不断变化。
因此，要
实现对电池充放电过程的精准控制和优化运行，需要采用预测控制策略。
预测控制的核心是对历史数据进行分析和建模，通过建立电池的
数学模型，预测未来的充放电需求。
在建模过程中，需要考虑电池的
内阻、电容、电感等物理特性，以及周围环境的温度、湿度等影响因素。
基于建立的数学模型，可以预测未来电池的电压、电流和功率等
参数的变化。
基于预测结果，可以采取相应的控制策略，实现对电池
充放电过程的精准控制和优化运行。
例如，在电池充电过程中，可以
根据预测结果及时调整充电电流和电压，以避免电池过充和过放；在电池放电过程中，可以根据预测结果调整放电电流和电压，以满足负载需求。
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（1）
［3］ 高应波. 计算机软件技术与应用基础 ［J］ .软件导刊， ［4］ 肖素琴， 韩厚义.质量流量计 ［M］ .北京： 中国石化出版社， 1999： 29-32. 2007 （4） ： 12-16.
2008： 31-37.
［5］ 崔志明.计算机软件应用技术 ［M］ .苏州： 苏州大学出版社， 收稿日期： 2015-01-27 1999： 29-32.
超级电容的零输入响应公式见 （4） 、 （5） 式：
i=t U0 - τ e R1
（4）
式中
阻 R， 相当于电路短路。在电源电压很小的电子电路 作为储能元件在电力应用中， 电源电压范围一般在 中， 电流 i 不会超过电路的承受能力， 而在超级电容 220~575 V， 由于超级电容内阻较低 （0.01~0.1 Ω） ， 瞬 必须要对超级电容进行限流充电。
长等特点， 是新兴的 UPS 设备。加快超级电容储能系
时它还向机内电池充电； 当市电中断 （事故停电） 时， UPS 立即将电池的直流电能， 通过逆变零切换转换的 方法向负载继续供应 220 V 交流电， 使负载维持正常 通讯、 国防等领域均有广泛应用 。
［1］
工作并保护负载软、 硬件不受损坏。在航天、 矿业、 超级电容型动力 UPS 是安装在直流母线上的抗
æ ( Imax - Imin ) R ö D 2T S = - τ ln ç （15） ç1 - u + I R ÷ ÷ c max è ø 式中 Imax—电流最大值， A； Imin—电流最小值， A； τ—
态， 二极管 D 截止， 因此 IGBT 发射集电压接近于电源 电压 Us， 而 IGBT 导通条件要求栅极电压高于发射极 IGBT 进行驱动， 因此需设计 IGBT 高压端驱动电路。 电压 10~15 V， 即 Us+15 V， 使得控制电路无法直接对 举驱动电路， 见图 3。
作者简介： 刘龙庆， 男， 经济师， 1999 年毕业于哈尔滨工程大学工业电 气自动化专业， 现从事节能减排管理工作。
2015 年 第 1 期
姚斗春.不间断电源超级电容充电控制技术探讨
Q L D C R
41
超级电容的零状态响应公式见 （2） 、 （3） 式：
- tö æ τ uC = ç 1 e ÷ ç ÷ è ø
始逐渐增大；
从充电开 （1）D1Ts 由于电感两端压差不断减小，
在 Proteus 中建立仿真模型并使用 IR2101 组成自
充电开始逐渐减小； U -I R （3） 当 u c = s max 时， D1Ts+D2Ts 值最小。 2 当系统电压较高时， 这些时间参数变化较大， 这 是 BUCK 变换器作为充电电路与稳压电路的重要差 别， 在稳压电路中 BUCK 变换器可采用开环控制模式 规的控制模式是否适用于超级电容充电电路。 和 PWM 控制模式作为控制方法， 需要验证这两种常
Q Us D L C
D2Ts 和限流值 Imax、 Imin 之间的关系： 开关时间 D1Ts、
æ ( Imax - Imin ) R ö ÷ D1T s = - τ ln ç ç1 - U - u ÷ s c è ø
电电路的数学模型， 见式 （15） 、 （16） ， 反映了每周期 （14）
通过对电路的暂态分析， 由公式 （7） 可以建立充
Us 1 R1 +15V 1 2 3
VB HO Vs LIN COM LO HIN U+
由于在 IGBT （Q1） 导通瞬间， 电感 L 处于断路状
图 2 BUCK 型超级电容充电电路
的平均值。 变化规律：
（13） 确定， 其中 I 即为 Imax、 Imin 时间常数。 uc 可由公式 根据以上公式可以得到充电过程中时间参数的
加； 当开关管 Q 切断时， 二极管 D 在电感 L 的续流作 C 是滤波电容， 主要作用是使输出电压纹波进一
能量传递电感 L 向负载 R 送入能量， 同时使 L 能量增
当开关管 Q 导通时， 二极管 D 截止， 电源 Us 通过
步减小。由以上分析， 开关管导通时间越长， 传递到 负载的能量越多， 输出电压也越高。 BUCK 变换器根据电感电流是否连续分为两类
42
炼油与化工 REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY
第 26 卷
在 2 种工作模式中切换。
2 BUCK 型充电电路模型 2.1 仿真模型的建立 无论 BUCK 变换器工作在哪个模式， 输出电压都 小于等于输入电压， 因此通过改变占空比可以从零 电压开始调节输出电压。设想将超级电容作为负 载， 构成 BUCK 型超级电容充电电路， 见图 2。
从 （2）D2Ts 由于电感产生的反向电压不断增大，
Q1 8 7 6 5
C
（2） （3）
Us
式中
U -τ i= se R1
t
C
图 1 BUCK 变换器
路等效内阻， Ω。
u0 = U0 e
-t τ
V； τC—电路的时间常数； R—电 Us—电源电压，
件 （如二极管） 组合来实现其开关作用。
由 1 个有源元件 （如 IGBT 或 MOSFET） 和 1 个无源元
它由开关管驱动的非隔离型降压直流变换器［6］，
Yao Douchun
主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统 负载使用， 此时的 UPS 就是一台交流市电稳压器， 同 设备。当市电输入正常时， UPS 将市电稳压后供应给
不间断电源 （UPS） 是将蓄电池与主机相连， 通过
能够使系统能够在放电后最短时间内补充能量 。
统的充电和均衡速度可以提高动力 UPS 的响应速度，
摘要： 为解决不间断电源超级电容等效内阻随 SOC 变化而影响充电效率的问题， 文中采用 BUCK 型
文章编号： 1671-4962 （2015） 01-0040-04
Research on super capacitor charging control technology of uninterruptible power supply
为零时， 充电电流 i=U/R， 负载只有超级电容等效内
接接入电源充电， 在充电开始的瞬间， 即电容的 SOC
且由充电电流公式 （3） 可知， 当超级电容直 性函数［3］，
~ 式可以得到超级电容的充放电特 通过 （1） （5）
U0—超级电容放电初始电压， V。
（5）
用下导通， 电感 L 向负载释放能量， 使负载电压极性 不变且比较平直。
（Acrylic Fiber Plant of Daqing Petrochemical Company， Daqing 163714， China） Abstract： In order to prevent the losses caused by production equipment downtime ， uninterruptible power supply is used in industrial production. During charging，the main issue is super capacitor charging control technology. In order to solve the problem that the equivalent resistance of super capacity of uninterruptible power supply affects the charging efficiency ， buck charging circuit is designed in this paper. The relationship between input and output voltages under different circumstances is derived. The circuit and charging model is established. Finally the quantitative comparison control mode was verified. The simulation based on the model is established in Proteus and the charging current curve is observed through analogue chart ， which verified the advantages of quantitative comparison control mode in the charging speed and efficiency . Keywords： uninterruptible power supply； super capacitor； quantitative comparison control mode；BUCK charging circuit
τL—电路的时间常数［4］。 联电阻， Ω；
见 （10） 式：
D2 =
（10）
式中
期， s。
L—电感值， H； R—负载电阻， Ω； Ts—开关周
于由 PWM 驱动的恒定负载的 BUCK 变换器， 可以得 到确定的 K， 通过调整占空比 D 即可使 BUCK 变换器
~ 表明了 D2 与电路参数 K 的关系， 对 式 （8） （10）
M= Uo D1 = U s D1 + D 2
V； R—电路中等效串 的电流， A； Us—电感两端电压，
- tö Uæ τ i L = I0 e + s ç 1 e ÷ （7） ÷ Rç è ø A； I0—电感在 0 时刻 式中 iL—电感在 t 时刻的电流，
（9）
式中
D1—导通时间占开关周期的比； D2—电感电流