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1、超级电容在陀螺摆中的应用1.说明德国摆式陀螺寻北仪GYROMAT2000采用直流陀螺马达，同步工作的功耗小于0.7W。为了消除外部供电导流丝的影响，采用电池装入陀螺房的结构。为此带来的新问题是更换电池工作十分复杂。为了解决此问题，多年来一直设想是否能将电池用超级电容器代替？但是由于当时的超级电容采购困难并且“储能/体积比”尚不能满足放入陀螺房里的要求因而无法实现。近年来超级电容发展很快，就目前了解的情况看，有可能实现上述设想。升压DC/DC最小输入电压为0.35VMicrochip公司的PC16402.特点超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄
2、电池是不同的。超级电容单体为低压元件，2.7V和5V，由于容差的存在，不宜采用简单的办法进行串联。只能采用并联-串联方法，通过使用升压DC/DC变换为20V稳压直流以便为直流陀螺马达驱动电路供电并且假设DC/DC和其他电路的效率为80。在设计从外部电源向超级电容电源自动切换电路时可考虑使用理想二极管电路以降低普通二极管切换电路组成的二极管正向压降大的损失。3.外电源快速启动无起动电流限制为了快速启动，通常希望马达驱动采用较高的启动电压以便得到较高的启动电流。由于摆式陀螺寻北仪不允许陀螺房在开锁状态下启动的，否则将会由于陀螺马达的惯性力矩作用于陀螺房而损伤悬带和导流丝。陀螺房的锁定启动要求正好有
3、利于利用强大的外部供电电源进行快速启动。通常起动电流比同步运行的电流大10倍以上。在允许更高的起动电源的条件下，例如45V，估计有可能将目前707的陀螺马达启动时间缩短到15s。马达同步（进入低功耗状态）之后，陀螺房开锁，外部电源断开，同时自动转换为陀螺房内部的超级电容（低功耗状态）供电，此过程利于降低对超级电容容量的要求。4.用电量和超级电容的容量的估算4.1.用电量估算 超级电容储能的估算以瓦时（）计算，因此设备用电量也需要按计算。其中应该考虑的工作电路的效率。陀螺马达在起动和制动时虽然为最大功耗状态但是此时是锁定状态由外部电源提供，只有马达进入同步转速即作为低功耗时陀螺房开锁之后超级电容
4、才开始供电，为此这里的用电量不包括起动和制动的功耗。以GYROMAT-2000为例，其直流马达功耗0.7W,一次寻北的工作时间7min（7/600.117.3h）。如果驱动电路的效率为80，则总的功耗为对于目前十五所所用的直流马达同步工作状态的功耗W，寻北测量工作时间min（1/60.17h）。电路的效率为80则陀螺马达功耗0.22。新的寻北仪希则望寻北时间5min或者更少。除去陀螺马达供电之外，有些寻北仪具有对陀螺摆进行加矩控制的系统还需要为陀螺房内直流力矩线圈加入恒定激励电流(控制绕组设置为定子)，此电流也必须由超级电容提供电源。通常激励电流分“粗精”两档，假设粗寻北档恒流源激励电流为20
5、0mA（假设电压为5V）,工作时间60s；精寻北档恒流源激励电流为1mA（假设电压为V），工作时间为10min并且假设电路的工作效率为80%则加矩线圈激励的平均功耗为： 总的功耗为4.2.电容的利用率目前单体超级电容的最高额定充电电压仅为5.5V，而陀螺马达的驱动电路和恒流源电路需要22V30V稳压供电，这就需要多个单体电容进行串联使用，假设采用4个单体串联为额定22V。另外，超级电容的输出电压是随着放电量的增加而下降，为此需要采用升压降压DC/DC变换为稳压输出。DC/DC/马达驱动电路的效率估计为80%.和电池一样，低温条件下电容量下降为常温额定电容量的80%,则相当于利用率仅为。这就意味
6、着为了满足上述0.22W的功耗，需要选用0.33W的电能。另一个需要考虑的问题是，超级电容随着存放时间的加长，电容量也会逐渐减小，例如20年之后的电容量可能减少20%，电池也存在此特性。关于单体耐压问题以下原因希望单体耐压越高越好：（1）储能量与电压的平方成正比:(2)超级电容应用电路中的均压电路部分比较复杂因此串联工作提高工作电压的方法受到一定限制。目前已有两级串联的单片均压电路。当然为了简减少引线尚须进行某些改进。(3)陀螺马达驱动电路供电电压为20V35V,因此希望理想的单体耐压超过35V,目前最高耐压为5.5V;(4)充电安全;（5）简化DC/DC;（6）由于存在降低最小放电电压值，单
7、体耐压越高，有效放电率也就越高。超级电容技术（超级电容和应用电路）在逐日改进和提高，特别是解决单体耐压问题，前面给出的温度特性和存储特性是出自10年前的资料。半年前中关村电子市场已可买到单体耐压达5.5V，1F的超级电容而近期（2012年4月）可买单体5.5V，1.5F的,网上可查到单体5.5V，4F的。以单体耐压为5.5V，1.5F为例，两个串联为11V（有效放电电压为10V），为了扩大电容量需要15个1.5F的电容并联为22.5F。因此30个单体可构成耐压11V,22.5F的超级电容。目前DC/DC的最低输入电压可达1V,则有效放电电压为10V。4.3.电容量的估算电容总的储能量为 (以放
8、电电压直到0V为止)上式指出，储能量与电压的平方成正比，可见提高单体耐压的意义。 式中 储能量，量纲为“瓦小时” 串联之后的电容量，法拉 串联组的电压3600 量纲换算常数缩短寻北时间、降低DC/DC的最低工作电压和提高单体电容的耐压是减小超级电容的主要途径。4.3.关于串联组合有效工作电压变化幅度与串联之后的额定充电电压和DC/DC最低输入电压也即允许最低放电电压有关.假设采用动态5.5V的两级串联,DC/DC最低允许输入电压为1V,则5陀螺马达控制指令的传输 由于全部省去了导流丝，当陀螺房开锁之后如果需要对陀螺马达的工作状态进行某些控制，例如陀螺房力矩线圈激励电流的粗精两档的切换控制命令和
9、零偏力矩的补偿等则可考虑采用光电信号传输或者其他无线传输方法。7关于快速充电虽然超级电容允许快速充电的能力但是提供快速充电的电源即提供瞬时大电流的充电电源可能需要太大的体积。充电时间和电流的估算充电电压应该以0V到额定11V。按20f计算，30s之内充电。 充放电量： 显然采用普通电源无法输出如此大的电流。建议充电电源内安装更大电容量的超级电容,例如大200f,可以提供短时间大电流充电。此大电容需提前充电或者电池随时在充电状态。另一个方法是，使陀螺房电容经常处于外接小电池（通过串联限流电阻）预充状态。由于此电池是陀螺房外部设置的电池可以方便的更换。但是由于小电池充电需要较长的时间因此此方法不利
10、于连续间隔时间过短的多次寻北。 8.电容体积的估算 电容体积大小是决定此方案能否实现的重要条件。9.关于进口GYROMAT-2000的改造 近十多年，内国内进口了数量可观的德国GYROMAT-2000陀螺寻北仪，每年（轮换着）用于返厂更换陀螺房内电池的费用可观，如果将其用超级电容代替则可彻底解决电池更换的问题，承揽这一工作也是一笔可观收入。9陀螺房内部电路的结构设计 电 路 板超 级 电 容陀螺房力矩线圈陀螺房陀螺马达光耦组成的两级串联超级电容均压电路方案(见EDN- 2012-N9-P47)过压保护 值得注意的是:升压DC/DC最低输入工作电压可以在0.5V以下但是上述均衡电路中的运放的最低
11、工作电压要在3V以上!光耦组成的三级串联超级电容均压电路方案设想?过压保护凌力尔特推出两节超级电容器充电器系列的最新产品LTC4425凌力尔特公司 (Linear) 推出两节超级电容器充电器系列的最新产品 LTC4425，该产品系列在便携式和数据存储应用中满足大峰值功率、数据备份和拯救“濒临电源崩溃”的需求。该器件采用具热量限制的线性恒定电流 - 恒定电压 (CC-CV) 架构，从锂离子/聚合物电池、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的电流受限电源，将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。LTC4425 具有两种运行模式：充电电流曲线 (典型) 模式和 LDO 模式。在充电电流
12、曲线模式时，该器件将超级电容组的顶端充电至输入电压 VIN，所用的充电电流与输入至输出电压之差的变化相反，以防止产生过大的热量。LDO 模式将超级电容器组充电至外部设定的输出电压，所用充电电流是固定的，而且也是外部可编程的。充电电流可用电阻器编程至高达 2A (峰值为 3A,估计可用?)，而且每个电容器都通过内部并联 (可选 2.45V/2.7V,今后可能会有5.5V的?) 而受到保护，以防过压。LTC4425 内置的电流受限理想二极管具有极低的 50m 导通电阻，以防止 VIN 向后驱动，从而使该器件非常适用于多种大峰值功率电池和 USB 供电的设备、工业PDA、便携式仪表和监视设备、功率计
13、、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。LTC4425 的自动能量平衡功能保持两节超级电容器有相等的电压，从而无需用于平衡的电阻器，同时保护每节超级电容器免受过压损坏，并最大限度地减少电容器的漏电流。当输出电压处于稳定状态时，该 IC 以非常低的 20uA 静态电流运行，而在停机时仅从 VIN 或 VOUT (视哪一个电压较高) 吸取 2A 电流。基本充电电路仅需要 6 个外部组件，而且是高度紧凑，采用占板面积为 9mm2的纤巧封装以及有引线的封装。其它关键特点包括一个 VIN 电源故障指示器以及通过 PROG 引脚连续监视 VIN 至 VOUT 的电流。其它保护功能包括电流和
14、热量限制，该限制可在温度过高的情况下降低充电电流。LTC4425 采用两种紧凑的耐热增强型封装：12 引线扁平 (0.75mm) 33mm DFN 封装和 12 引线 MSOP 封装。在 -40至+85的工作结温范围内工作有保证。LTC4425 有现货供应，千片批购价为每片 2.25 美元。照片说明： 具自动能量平衡功能的 2A 两节线性超级电容器充电器采用 6 个串联的 10F、2.7V 超级电容器和前端反激式稳压器的 12V 电源故障保护应用时间：2010-10-21LTC3225 是一款可编程超级电容充电器，专为从低至 2.8V 至 5.5V 的输入把两个串联的超级电容器充电至一个可选的
15、输出电压 (4.8V/5.3V 或 4V/4.5V) 而设计，具有自动单元平衡处理功能。本例采用了 6 个串联的 10F、2.7V 超级电容器，由三个输出电压设定为 4.8V 的 LTC3225 以 150mA (太小了是否可以扩大?) 的充电电流进行充电。前端是一个采用 LT3714 的反激式稳压器，而且 1.8V POL 由一个 LTM4601A 来调节。超级电容与普通高能可充电电池的比较特 性普通（镍镉）电池超级电容充放电工作机理化学过程纯物理过程储存寿命3（年）20（年）？容量下降到80一次充电时间4h，低速充电可30s 一次充电可供寻北次数5（新电池，低功耗GYROMT陀螺马达）1,
16、普通陀螺马达均可内阻（内阻越高充放电效率越低）高内阻：数低内阻：m内阻变化随温度变化而加大随充放电次数增加而加大随存放时间加长而加大随温度变化而加大，与随充放电次数和存放时间无关单体电压1.5V2.7V或者5.5V工作温度20C40C寿命内可充放电次数100次500，000次，容量下降到80充放电（速率）过载能力不允许大电流快充和短路放电允许瞬间充电和短路放电终止电压过充危险存在存在体积比10.3重量比10.3定期更换要求45年一次一劳永逸成本10.5老化问题严重基本上不存在老化后表现变形、漏液基本上不存在低温特性容量下降内阻加大容量下降；本身即为低内阻说明：各种性能仍在快速进步之中！升压降压
17、DC/DC4V/30V马达驱动电 路三状态数控恒流 源CPU无线收发5V外部电源超级电容30V20V触点开关理想二极管LTC4358LTC4352升压降压DC/DC1V/30V马达驱动电 路三状态数控恒流 源CPU5V外部电源陀螺房内的超级电容30V20V触点开关理想二极管LTC4358LTC4352大容量超级电容LTC4425马达监控：同步、变速、制动、故障恒流源控制：1mA,50mA,200 mADC/DC控制：30V起动20V同步运行超级电容器原理及电特性（2009）中心议题： 器的原理及结构 超级电容器的特性 解决方案： 利用双电层原理增加电容量 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元
18、件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。超级电容器的原理及结构1 .超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 图1超级电容器结构框图由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸
19、附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这种能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。2 .工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短
20、间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。3. 主要特点由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 图2超级电容器结构框图.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤
21、维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了34个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。.充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次，.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池再如
22、此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40+70）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。.等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110m）。.可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。超级电容器特性 1. 额定容量：单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持23分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定
23、电压值，即：由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略，如2.7V/5 000F超级电容器的ESR为：0.4m，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额定电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在额定电流下放电容量将为额定容量减小88.5%，这一特性将在图3中看到。2. 额定电压：可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.53倍左
24、右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。 图3 2.7v/2700F超级电容器入电特性曲线 图4超级电容器阻抗频率特性3. 额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）4. 最大存储能量：在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位5. 能量密度：最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）6. 功率密度：在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。7. 等效串联电阻：测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）
25、和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。8. 阻抗频率特性：超级电容器的阻抗频率特性如图4，相对较大的是ESR造成平坦底部的原因，超级电容器的频率特性是电容器中频率特性最差的。其原因是：一般电容器的电荷是导体中的以电子导电方式建立或泄放，而超级电容器的电荷的建立或泄放是以介质中的离子或介质电离极化实现，响应速度相对慢；大容量电容器在制造时均采用卷绕工艺，寄生电感
26、相对无感电容器大。9. 工作与存储温度：通常为-40?+60或70，存储温度还可以高一些。10. 漏电流：一般为10A/F11. 寿命：在25环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。12. 循环寿命：20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。 图5额定
27、温度下纹波电流与寿命的关系 图6不同环境温度下纹波电流与寿命的关系13. 发热：超级电容器通过纹波电流（充、放电）时，回发热，其发热量将随着纹波电流的增加而。超级电容器发热的原因是纹波电流流过超级电容器的等效串联电阻（ESR）产生的功率（能量）损耗转变为热能。由于超级电容器的（ESR）较大，因此在同样纹波电流条件下发热量比一般电容器大。使用时应注意。注意事项超级电容器在串联应用时特别是较大电容量是应采用均压技术以保证每一个超级电容器单体端电压再额定电压内，目前国内已有各种规格的超级电容器均压电路商品。国内外状况超级电容器通常耐压为2.53V，也有耐压为5.5V的产品。主要有美国、德国、日本、韩
28、国、俄罗斯和中国等国家生产。比较知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我国有锦州超容等企业，从容量上看有机系的国外达到2.7V/5 000F，国内的锦州超容接近这一水平。体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径20毫米高40毫米，3F/2.7V直径8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3.F，大容量接近0.45.F，0.5.F。能量密度和功率密度分别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循环寿命和寿命分别达到500 000次和90 000小时。5V,20A超级电容充电电路 收藏 上传者：dolphin 浏览次数:502 分享到： 开心网 人人网 新浪微博 EEPW微博 LTR3741组成的5V,20A超级电容充电电路 图 LTR3741 5V稳压输出的20A超电容充电器电路图18