基于PWM超级电容充电装置的设计装置

 摘要：为了解决目前国内外普遍使用储能元件存在大量环境污染和寿命短的问题，文中设计实现了一种用于基于PWM的超级电容充电装置。该充电装置包括：通讯装置、转换装置、脉冲调制装置、采样装置、逻辑控制装置、稳压器、LED、超级电容、为超级电容提供的如交流电、电池组、太阳能等能量源，其中转换装置、脉冲调制装置、控制装置、通讯装置实现为超级电容充电信号接收、控制和转换功能。其中采样装置由采样模块组成，采样模块实时地对超级电容的电压、温度等数据进行采样，并将采样到的数据传送给通讯模块进行数据处理和通信。脉冲调制装置接受逻辑控制装置传送过来的调制信号，对脉冲的宽度进行调制，最后借助转化装置实现为超级电容器充电的功能。本文采用的充电模式，实现了充电的低成本，高效率的特点，能够最大化发挥其充电的性能。

关键词：超级电容;PWM;充电装置;脉冲调制

近年来，随着人们环保意识的增强，节能型电器产品日益受到欢迎，可是这些产品的使用都离不开储能元件。目前，国内外普遍使用的储能元件主要是蓄电池，如铅酸蓄电池及镍镉电池等，存在着环境污染和寿命短等问题，而超级电容作为一种新型储能元件给解决上述问题带来了希望。现有储能元件储能技术存在以下缺点：1)充电速度慢，功能密度低。2)循环使用寿命短，深度充放电循环使用次数少。3)放电电流小，放电能力较差。4)储存、拆解过程可能造成污染，破坏环境。

1 系统的总体设计

为了对储能元件造成的环境污染等一系列问题进行预防，设计了一款基于PWM的超级电容充电装置，该装置由通讯装置、转换装置、脉冲调制装置、采样装置、逻辑控制装置、稳压器、LED、超级电容、为超级电容提供的如交流电、电池组、太阳能等能量源等组成。与现有技术相比，本系统方案设计具有如下优点：充电速度快，经过测试充电10 s～10min可达到其额定容量的95%以上。循环使用寿命长，没有“记忆效应”。能量转换效率高，电流放电能力较强。功能密度高，并且在生产、使用、储存以及拆解过程中没有污染，是一个非常环保的技术。并且我们检测也比较方便，电量可以直接读出来。

系统结构框图如图1所示。

2 软硬件部分设计

2.1 通讯装置设计

通讯装置采用通讯模块，通讯模块是信号通讯的基本单元，信号的的稳定传输是整个系统可靠性的基本保证。通信模块通常是一个微型的嵌入式系统，从传输功能上看，通信模块要进行本地信息收集和数据处理外，还要对采集到的信息据进行存储、管理和融合等处理，同时传输到用户手持遥控器。目前收发模块的软硬件技术是通信研究的重点。本系统通信模块由微处理器、存储器、晶振等构成，它包含了特定应用的逻辑。

通讯模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。

在通讯装置中，发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4 GHz，并经放大后发射出去。

该通讯模块可以实现数据的传输通信功能，超级电容在运行过程中向采样电路传输数据，我们通过采样电路对数据进行收集采样，采样装置将其采样到的超级电容的电压、电流、温度等数据传送给通讯装置，之后通讯装置再将数据传送给逻辑控制装置，通讯装置也可以直接进行与超级电容的通讯。

2.2 脉冲调制装置设计

脉冲调制装置采用脉冲调制模块，脉冲调制模块是基于脉冲宽度调制技术而做成的一种模块，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

本系统中脉冲调制模块接受逻辑控制装置传送过来的调制信号，脉冲调制装置主要是用于对传输过来的信号进行调制比如脉冲信号，在图中对脉冲的宽度进行调制，我们可以通过软件编程调节充电脉冲的宽度，从而调节波形的占空比、周期和相位，最后借助控制单元的转化器实现为超级电容器充电的功能。

2.3 逻辑控制装置块设计

逻辑控制装置采用逻辑控制模块，逻辑控制模块是基于数字电路中常见的逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或等逻辑运算所开发的一种实用性较高、被广为使用的模块。逻辑控制模块广泛应用各种数字电路、自动化、plc控制等领域，与各种控制器、单片机等组合能够充分发挥它的逻辑控制作用，国外的大型厂家都开发过专属自己产品的逻辑控制模块。

本系统中采用了逻辑控制模块，它分别与通信模块和脉冲调制模块相连接，在中间起着数据处理、转化的作用。在系统中，我们在逻辑控制模块中预先写入了相应的逻辑运算函数，比如超级电容的荷电状态与电压构成的函数。在超级电容充放电过程中，通信模块将电压、温度等一系列数据传送给逻辑控制模块，逻辑控制模块按照一定的逻辑算法经过相应的逻辑运算之后，将逻辑运算结果输出给脉冲调制模块，为脉冲调制做出准备。

2.4 采样装置设计

采样装置采用采样模块，采样模块是基于物理量的采样、数据采集而设计的一种模块。在模拟量控制系统中，生产过程所处理的都是连续变化的物理量。这些物理量都是经过传感器和变送器的变换而变成的标准的连续变化的物理量如电压、电流等。这些物理量如果要送入计算机、plc等数字量设备里必须要先进行采样，采样之后的物理量变为离散量，从而可以被其他设备等示别。

本系统采用了采样模块，在超级电容充放电的过程中，我们通过采样模块实时地对超级电容的电压、温度等数据进行采样。采样模块采用轮询的机制定时地检测超级电容器电压、温度，并将采样到的数据传送给通信模块进行数据处理和通信。

2.5 转换装置设计

转换装置由转换器构成，转换器是在数字电路、模拟电路中经常使用的装置，主要用于数据、信息的转换。常见的转换器有模/数转换器和数/模转换器。模/数转换器又称A/D转换器，主要用于把模拟量转换为数字量处理。数/模转换器又称D/A转换器，主要用于把数字量转换为模拟量处理。本系统中转换器主要是用于接收脉冲调制模块所传递过来的信号，并且进行处理。脉冲模块先接收控制单元传递过来的调制信号，该模块先进行调制，调整合适的脉冲的脉宽，并将该脉冲信号传送给转换器，转换为超级电容所能处理的物理量，并为超级电容充电。

2.6 能量源设计

能量源可以由交流电、太阳能、风能、生物能、电池组、发动机构成作为电源，通过能量源输出端口为整个充电电路提供能量。一方面，能量源可以通过转换装置将交流电、太阳能、风能等能源转换为直流电进入电路，再经过电路的调节作用为超级电容供电。另一方面，由交流电、太阳能、风能、生物能等可以提供作为电源的能量源可以直接借助稳压器直接为逻辑控制装置供电。

3 系统功能实施

3.1 系统结构功能

在本实施例中，我们通过研究超级电容器的电压、电流等参数以及超级电容充电的剩余容量，提出一种不同充电方式的充电装置。在本系统中，超级电容器可以是一个超级电容组成或者由多个超级电容串联形成。与超级电容连接的采样装置定期地循环扫描超级电容器，检测超级电容的电压、电流、温度等一系列参数，并把采样到的数据传送给通讯装置，然后把通讯装置中获取的信号反馈给逻辑控制装置。逻辑控制装置接受信号后，通过自身设置好的运算方法，来求出超级电容的剩余容量。我们预先设定了超级电容在零电压时刻充电时的剩余容量1和超级电容在满电压时刻充电时的剩余容量2。

3.2 系统充电方式

第一步：先将能量源和超级电容连接，由能量源为超级电容提供电源。

第二步：采样装置定期地循环扫描超级电容器，检测超级电容的电压、电流、温度等一系列参数，并把采样到的数据传送给通讯装置，然后把通讯装置中获取的信号反馈给逻辑控制装置。逻辑控制装置接受信号后，通过自身设置好的运算方法，来求出超级电容的剩余容量。

第三步：将求出的超级电容的剩余容量与上面提到的超级电容在零电压时刻充电时的剩余容量1和超级电容在满电压时刻充电时的剩余容量2做出比较，其中剩余容量2>剩余容量1。

第四步：逻辑控制装置根据比较结果计算出超级电容所需要的充电电压和电流等数据，并且发出调制信号给脉冲调制装置。

第五步：脉冲调制装置接受到调制信号以后，调整充电脉冲宽度，调节PWM占空比，并且通过转换器为超级电容充电。

第六步：不断重复上述步骤，直到超级电容完成充电或者终止充电。

在充电过程中，如果逻辑控制装置求出剩余容量大于超级电容在零电压时刻充电时的剩余容量1，逻辑控制装置发出调制信号C给脉冲调制装置，脉冲调制装置根据接受到的信号，调整充电脉冲宽度，调节PWM占空比，并且通过转换器为超级电容充电。如果逻辑控制装置求出剩余容量小于剩余容量1并且大于剩余容量2，逻辑控制装置发出调制信号A给脉冲调制装置，脉冲调制装置根据接受到的信号，调整充电脉冲宽度，调节PWM占空比，并且通过转换器为超级电容充电。如果逻辑控制装置求出剩余容量大于超级电容在零电压时刻充电时的剩余容量1，逻辑控制装置发出调制信号B给脉冲调制装置，脉冲调制装置根据接受到的信号，调整充电脉冲宽度，调节PWM占空比，并且通过转换器为超级电容充电。

4 结束语

本文设计的基于PWM超级电容充电装置的设计装置具有如下特点：1)充电速度快，充电10 s到10 min可达到其额定容量的95%以上;2)循环使用寿命长;3)电流放电能力强，能量转换效率高，过程损失小;4)功率密度高，无污染，绿色环保。该装置工作稳定可靠，成本低廉，适合大范围推广使用。