基于PWM超級電容充電裝置的設(shè)計(jì)裝置

 摘要：為了解決目前國內(nèi)外普遍使用儲能元件存在大量環(huán)境污染和壽命短的問題，文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于基于PWM的超級電容充電裝置。該充電裝置包括：通訊裝置、轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩(wěn)壓器、LED、超級電容、為超級電容提供的如交流電、電池組、太陽能等能量源，其中轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、控制裝置、通訊裝置實(shí)現(xiàn)為超級電容充電信號接收、控制和轉(zhuǎn)換功能。其中采樣裝置由采樣模塊組成，采樣模塊實(shí)時地對超級電容的電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。脈沖調(diào)制裝置接受邏輯控制裝置傳送過來的調(diào)制信號，對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，最后借助轉(zhuǎn)化裝置實(shí)現(xiàn)為超級電容器充電的功能。本文采用的充電模式，實(shí)現(xiàn)了充電的低成本，高效率的特點(diǎn)，能夠最大化發(fā)揮其充電的性能。

關(guān)鍵詞：超級電容;PWM;充電裝置;脈沖調(diào)制

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，節(jié)能型電器產(chǎn)品日益受到歡迎，可是這些產(chǎn)品的使用都離不開儲能元件。目前，國內(nèi)外普遍使用的儲能元件主要是蓄電池，如鉛酸蓄電池及鎳鎘電池等，存在著環(huán)境污染和壽命短等問題，而超級電容作為一種新型儲能元件給解決上述問題帶來了希望?，F(xiàn)有儲能元件儲能技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：1)充電速度慢，功能密度低。2)循環(huán)使用壽命短，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)少。3)放電電流小，放電能力較差。4)儲存、拆解過程可能造成污染，破壞環(huán)境。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為了對儲能元件造成的環(huán)境污染等一系列問題進(jìn)行預(yù)防，設(shè)計(jì)了一款基于PWM的超級電容充電裝置，該裝置由通訊裝置、轉(zhuǎn)換裝置、脈沖調(diào)制裝置、采樣裝置、邏輯控制裝置、穩(wěn)壓器、LED、超級電容、為超級電容提供的如交流電、電池組、太陽能等能量源等組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：充電速度快，經(jīng)過測試充電10 s～10min可達(dá)到其額定容量的95%以上。循環(huán)使用壽命長，沒有“記憶效應(yīng)”。能量轉(zhuǎn)換效率高，電流放電能力較強(qiáng)。功能密度高，并且在生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程中沒有污染，是一個非常環(huán)保的技術(shù)。并且我們檢測也比較方便，電量可以直接讀出來。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 軟硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 通訊裝置設(shè)計(jì)

通訊裝置采用通訊模塊，通訊模塊是信號通訊的基本單元，信號的的穩(wěn)定傳輸是整個系統(tǒng)可靠性的基本保證。通信模塊通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，從傳輸功能上看，通信模塊要進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對采集到的信息據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，同時傳輸?shù)接脩羰殖诌b控器。目前收發(fā)模塊的軟硬件技術(shù)是通信研究的重點(diǎn)。本系統(tǒng)通信模塊由微處理器、存儲器、晶振等構(gòu)成，它包含了特定應(yīng)用的邏輯。

通訊模塊廣泛地運(yùn)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。

在通訊裝置中，發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產(chǎn)生的。所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到2.4 GHz，并經(jīng)放大后發(fā)射出去。

該通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸通信功能，超級電容在運(yùn)行過程中向采樣電路傳輸數(shù)據(jù)，我們通過采樣電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集采樣，采樣裝置將其采樣到的超級電容的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，之后通訊裝置再將數(shù)據(jù)傳送給邏輯控制裝置，通訊裝置也可以直接進(jìn)行與超級電容的通訊。

2.2 脈沖調(diào)制裝置設(shè)計(jì)

脈沖調(diào)制裝置采用脈沖調(diào)制模塊，脈沖調(diào)制模塊是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)而做成的一種模塊，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

本系統(tǒng)中脈沖調(diào)制模塊接受邏輯控制裝置傳送過來的調(diào)制信號，脈沖調(diào)制裝置主要是用于對傳輸過來的信號進(jìn)行調(diào)制比如脈沖信號，在圖中對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，我們可以通過軟件編程調(diào)節(jié)充電脈沖的寬度，從而調(diào)節(jié)波形的占空比、周期和相位，最后借助控制單元的轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)為超級電容器充電的功能。

2.3 邏輯控制裝置塊設(shè)計(jì)

邏輯控制裝置采用邏輯控制模塊，邏輯控制模塊是基于數(shù)字電路中常見的邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或等邏輯運(yùn)算所開發(fā)的一種實(shí)用性較高、被廣為使用的模塊。邏輯控制模塊廣泛應(yīng)用各種數(shù)字電路、自動化、plc控制等領(lǐng)域，與各種控制器、單片機(jī)等組合能夠充分發(fā)揮它的邏輯控制作用，國外的大型廠家都開發(fā)過專屬自己產(chǎn)品的邏輯控制模塊。

本系統(tǒng)中采用了邏輯控制模塊，它分別與通信模塊和脈沖調(diào)制模塊相連接，在中間起著數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)化的作用。在系統(tǒng)中，我們在邏輯控制模塊中預(yù)先寫入了相應(yīng)的邏輯運(yùn)算函數(shù)，比如超級電容的荷電狀態(tài)與電壓構(gòu)成的函數(shù)。在超級電容充放電過程中，通信模塊將電壓、溫度等一系列數(shù)據(jù)傳送給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊按照一定的邏輯算法經(jīng)過相應(yīng)的邏輯運(yùn)算之后，將邏輯運(yùn)算結(jié)果輸出給脈沖調(diào)制模塊，為脈沖調(diào)制做出準(zhǔn)備。

2.4 采樣裝置設(shè)計(jì)

采樣裝置采用采樣模塊，采樣模塊是基于物理量的采樣、數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)的一種模塊。在模擬量控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程所處理的都是連續(xù)變化的物理量。這些物理量都是經(jīng)過傳感器和變送器的變換而變成的標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)變化的物理量如電壓、電流等。這些物理量如果要送入計(jì)算機(jī)、plc等數(shù)字量設(shè)備里必須要先進(jìn)行采樣，采樣之后的物理量變?yōu)殡x散量，從而可以被其他設(shè)備等示別。

本系統(tǒng)采用了采樣模塊，在超級電容充放電的過程中，我們通過采樣模塊實(shí)時地對超級電容的電壓、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。采樣模塊采用輪詢的機(jī)制定時地檢測超級電容器電壓、溫度，并將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。

2.5 轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換裝置由轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，轉(zhuǎn)換器是在數(shù)字電路、模擬電路中經(jīng)常使用的裝置，主要用于數(shù)據(jù)、信息的轉(zhuǎn)換。常見的轉(zhuǎn)換器有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱A/D轉(zhuǎn)換器，主要用于把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量處理。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器又稱D/A轉(zhuǎn)換器，主要用于把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量處理。本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換器主要是用于接收脈沖調(diào)制模塊所傳遞過來的信號，并且進(jìn)行處理。脈沖模塊先接收控制單元傳遞過來的調(diào)制信號，該模塊先進(jìn)行調(diào)制，調(diào)整合適的脈沖的脈寬，并將該脈沖信號傳送給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為超級電容所能處理的物理量，并為超級電容充電。

2.6 能量源設(shè)計(jì)

能量源可以由交流電、太陽能、風(fēng)能、生物能、電池組、發(fā)動機(jī)構(gòu)成作為電源，通過能量源輸出端口為整個充電電路提供能量。一方面，能量源可以通過轉(zhuǎn)換裝置將交流電、太陽能、風(fēng)能等能源轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)入電路，再經(jīng)過電路的調(diào)節(jié)作用為超級電容供電。另一方面，由交流電、太陽能、風(fēng)能、生物能等可以提供作為電源的能量源可以直接借助穩(wěn)壓器直接為邏輯控制裝置供電。

3 系統(tǒng)功能實(shí)施

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

在本實(shí)施例中，我們通過研究超級電容器的電壓、電流等參數(shù)以及超級電容充電的剩余容量，提出一種不同充電方式的充電裝置。在本系統(tǒng)中，超級電容器可以是一個超級電容組成或者由多個超級電容串聯(lián)形成。與超級電容連接的采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級電容器，檢測超級電容的電壓、電流、溫度等一系列參數(shù)，并把采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號后，通過自身設(shè)置好的運(yùn)算方法，來求出超級電容的剩余容量。我們預(yù)先設(shè)定了超級電容在零電壓時刻充電時的剩余容量1和超級電容在滿電壓時刻充電時的剩余容量2。

3.2 系統(tǒng)充電方式

第一步：先將能量源和超級電容連接，由能量源為超級電容提供電源。

第二步：采樣裝置定期地循環(huán)掃描超級電容器，檢測超級電容的電壓、電流、溫度等一系列參數(shù)，并把采樣到的數(shù)據(jù)傳送給通訊裝置，然后把通訊裝置中獲取的信號反饋給邏輯控制裝置。邏輯控制裝置接受信號后，通過自身設(shè)置好的運(yùn)算方法，來求出超級電容的剩余容量。

第三步：將求出的超級電容的剩余容量與上面提到的超級電容在零電壓時刻充電時的剩余容量1和超級電容在滿電壓時刻充電時的剩余容量2做出比較，其中剩余容量2>剩余容量1。

第四步：邏輯控制裝置根據(jù)比較結(jié)果計(jì)算出超級電容所需要的充電電壓和電流等數(shù)據(jù)，并且發(fā)出調(diào)制信號給脈沖調(diào)制裝置。

第五步：脈沖調(diào)制裝置接受到調(diào)制信號以后，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級電容充電。

第六步：不斷重復(fù)上述步驟，直到超級電容完成充電或者終止充電。

在充電過程中，如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級電容在零電壓時刻充電時的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號C給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量小于剩余容量1并且大于剩余容量2，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號A給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級電容充電。如果邏輯控制裝置求出剩余容量大于超級電容在零電壓時刻充電時的剩余容量1，邏輯控制裝置發(fā)出調(diào)制信號B給脈沖調(diào)制裝置，脈沖調(diào)制裝置根據(jù)接受到的信號，調(diào)整充電脈沖寬度，調(diào)節(jié)PWM占空比，并且通過轉(zhuǎn)換器為超級電容充電。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于PWM超級電容充電裝置的設(shè)計(jì)裝置具有如下特點(diǎn)：1)充電速度快，充電10 s到10 min可達(dá)到其額定容量的95%以上;2)循環(huán)使用壽命長;3)電流放電能力強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小;4)功率密度高，無污染，綠色環(huán)保。該裝置工作穩(wěn)定可靠，成本低廉，適合大范圍推廣使用。