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摘要：双电源系统由锂电池和超级电容器组成。超级电容器储能具有大容量的功率、高密度的电能、充放电周期长、大范围的适用温度等优点。超电容与锂电池的结合进一步将电源的充放电效率进行了有效的提高，从而在很大程度上将电源的利用率增强。基于此，开发了基于超级电容器的单片机控制的超级电容器与锂电池双电源管理系统，快速充放电的的目标得到了实现，同时驱动负载目标也得到了实现。由测试结果我们可以看出，双电源管理系统不仅能够能精准、安全的控制双电源，而且还可以在一定程度上达到节能减排目标。本文主要对锂电池与超级电容的双电源管理系统进行分析，对系统的结构、锂电池模块、超级电容组模块、温度传感模块进行详细的叙述。
关键词：锂电池；超级电容；双电源管理系统；分析；设计
引言
当前，制约人类社会可持续发展的两大障碍就是环境问题和能源问题。如果想要社会的可持续发展继续顺利进行，那么可再生能源及相关材料的开发就非常有必要。超级电容器作为一种新型储能装置，具有大容量的功率、高密度么功率、长寿命的充放电循环、大范围么温度、不存在毒金属等优点。所以，科学界的广泛关注超级电容器的发展，开展了大量的超级电容器的研究。超级电容器已广泛应用于微电网发电、电动汽车、信息通信、信息监控、供电等领域，成为社会能源领域的一个新的研究热点。本文以超级电容器为基础，开发了一种单片机控制的超级电容器与锂电池双电源管理系统，从而快速充放电与驱动负载同时进行的目的得到了有效的实现。随着国家节能环保的号召越来越大，本设计实现的双电源管理系统采用超级电容器和锂电池构成双电源系统，达到了一定的节能减排目标。
一、双电源管理系统的结构
超电容组、充放电、锂电池、负载和单片机控制模块共同组成双电源管理系统。其中，对双电源系统的智能控制通过单片机来实现，超级电容器充电时外部电源的实时监控也可以这么实现。超级电容模块的功率达到预定值通过系统的监测就可以了解，单片机控制继电器自动切断与充电电源的连接，以超级电容模块为电源给锂电池模块充电。当系统检测到锂电池模块充满电时，系统就会将充电电路自动断开，然后负载电源由使用锂电池和超级电容来提供，驱动负载电路。
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二、双电源管理系统中的超级电容充放电模块
最大电压、串联等效电阻、放电深度、充放电功率等因素共同决定了超级电容器的充放电效率。系统设计主要采用恒流模式充电，采用5V/1A电源对超级电容器单体（3V，150F）充电，每次80s的充电时间。当储能元件采用超级电容时，为了保证安全使用，在接收电源电路前，超级电容模块应连接到人DC/DC变换器。当超级电容器充放电时，会出现较大的电容器两端的电压波动。所以，在系统设计中，超级电容首先连接到DC/DC变换器，通过DC/DC变换器稳定电路电压后，超级电容就可以连接到供电电路。本系统设计中使用DC/DC转换器中的芯片能够有效提高直流电压的稳定性，它允许输入2 ~ 24 V范围的电压，芯片可以提高到28 V。该电路具有短路保护、过热保护等功能。
三、双电源管理系统中的超级电容组模块
单台超级电容器的耐压值仅为3V左右，在储能模块的设计要求中，3V的耐压值远远不能够满足的。所以，在本系统设计中，由很多个超级电容组合成一个超级电容群模块，这样系统的需要就可以得到满足。然而，对于串联的每一个超级电容器单体，都会在其内部系发生很大的参数偏差，超级电容器组模块的充电电压产生偏差会由电容器的泄漏电流、电容容量偏差、ESR的不同性等原因造成。
为了超级电容器储能模块中各电容器的基本内部参数的一致性能够得到保证，在超级电容器组中各超级电容器单体上设计，并安装了平衡模块中各电容器器单体的平衡电压电路。但是，对普通电容器来说，由于他们通常是连接到电源，我们可以忽略漏电电流，因此，当它用于串联是，设计相应的平衡电路是没有必要的，只需要将普通电容在相应的电阻两端进行，和阻力可以并行分流。但是，对于超级电容器组作为储能元件，泄漏电流过大会造成过大消耗超级电容器中存储的能量。
因为吸收多余的能量是使用超级电容器的能量存储阵列的目的，我们需要遵循一下几点设计超级电容组模块的原则：（1）超级电容器组的两端电压中，直流母线电压的等级应该大于超级电容器。由于相对较低的超级电容器两端的电压。过大的电压要求大量的超电容串并联组合，不仅将系统的成本进行增加，而且造成更加复杂的超电容组的均匀流、均匀压等问题。（2）超级电容组两端电压的变化范围为其最大耐受电压的50% ~ 100%，所以储存在超级电容组中的能量占总能量的75%。
四、双电源管理系统中芯片的选择
芯片TP4056是一种通过线性控制的充电电路芯片，主要通过恒流恒压方式来实现的。芯片底部封装的SOP8/MSOP8具有散热片少、外部元件少的特点，使得芯片TP4056可以在便携式电源中广泛应用。在USB电源和适配器电源下芯片TP4056可以进行工作。由于反倒置电路和MOSFET结构应用在芯片TP4056中，因此无需在芯片外部安装隔离二极管。储能元件的充电电流的自动调节是通过芯片的热反馈效应来实现的。当芯片工作环境温度较高或芯片处于大功率运行时，可调节芯片的工作温度。4.2 V为储能元件工作时充电电压，由外部电阻设置储能元件充电电流。当储能元件的充电电流达到最终的浮动充电电压时，芯片就会降低充电电流，直至达到初始设定电流值的10%，芯片TP4056对储能元件充电就会停止；当充电能量存储元素停止工作时，充电电流模式的能量存储模块将被调整到低电流充电模式，在这种情况下电池的漏电流将减少到小于2μA。就算系统连接到电源，芯片TP4056仍然可以把系统调节在关闭模式，当前的电力供应将减少到55μ在这种模式下。在设计系统的电路中，充电电流的电阻器由插针与接地端连接的电阻器设定。
五、结束语
随着社会的发展越来越快，越来越好，我国电能行业的发展也越来越好，为了顺应国家的可持续发展理念和节能减排的目标，出现了锂电池与超级电容的双电源管理系统，这不仅能够在很大程度上增强电源的利用率，而且还可以达到节能减排的目标。
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论文作者:李兵
论文发表刊物:《房地产世界》2019年7期
论文发表时间:2019/9/18
标签：电容器论文; 电容论文; 锂电池论文; 管理系统论文; 电压论文; 模块论文; 芯片论文; 《房地产世界》2019年7期论文;