Ladelösung für Superkondensatorbänke

Ein Blockdiagramm einer hocheffizienten Lösung wird gezeigt, wenn die Last ein Gerät ist, das eine stabile Eingangsspannung (3,3 V, 5 V, 12 V usw.) benötigt. Die 48-V-Netzversorgung versorgt den normal funktionierenden Schaltregler 2 (SW2) mit Strom, während die Superkondensatorbank über den Schaltregler 1 (SW1) auf eine Spannung von 25 V aufgeladen wird. Wenn die Hauptstromversorgung unterbrochen wird, versorgt die Superkondensatorbank SW2 mit Strom, um den Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten der Last.

Nach Auswahl des Superkondensators muss der Systemingenieur auch die Zielspannung zum Laden des Superkondensators basierend auf der Bewertungskurve des Superkondensators auswählen. Die meisten Superkondensatoreinheiten sind bei Raumtemperatur für 2,5 V bis 3,3 V ausgelegt, und diese Bewertung fällt bei höheren Temperaturen ab, was wiederum zu einer längeren Lebenserwartung führt. Im Allgemeinen sollte der Einstellwert für die Ladezielspannung niedriger sein als die maximale Nennspannung, um die Lebensdauer des Superkondensators zu verlängern.

Als nächstes müssen Sie die erwartete Spannung und SW2-Topologie für die Superkondensatorbank auswählen. Die Superkondensatorbankkonfiguration kann eine Reihenkondensatorreihenkombination von parallel, seriell oder parallel sein. Da die Nennspannung des Zellenkondensators typischerweise weniger als 3,3 V beträgt und die Last häufig gleiche oder höhere Versorgungsspannungen erfordert, besteht die Option für die Konfiguration der Kondensatorzelle und für SW2 darin, eine Kondensatorzelle mit einem Aufwärtswandler oder mehrere Kondensatoreinheiten der Serie A mit zu verwenden ein Buck- oder Buck-Boost-Regler. Wenn eine Boost-Konfiguration verwendet wird, müssen wir sicherstellen, dass die Spannung beim Entladen des Superkondensators nicht unter die minimale Betriebseingangsspannung von SW2 fällt. Dieser Spannungsabfall kann bis zur Hälfte der Ladespannung des Superkondensators betragen. Zu diesem Zweck geben wir ein Beispiel für eine Superkondensatorbank, die aus einer Reihen-Superkondensatorkombination und einem einfachen Buck-Regler (SW1) besteht. Wenn dies aufgrund des Energiebedarfs erforderlich ist, werden dann mehrere Reihenkondensatorstränge parallel geschaltet.

Wenn eine Reihenkombination von Superkondensatoren ausgewählt wird, muss die Anzahl der verwendeten Kondensatorzellen basierend auf der maximal erwarteten Spannung am oberen Ende der Kondensatorkette ausgewählt werden. Mehr Reihenkapazität bedeutet, dass der Superkondensatorstrang eine kleinere Kapazität und eine höhere Spannung hat. Angenommen, Sie verwenden zwei Kondensatorstränge, die aus vier 2,7V10F-Kondensatoren bestehen, und einen Kondensatorstrang, der aus acht identischen Kondensatoren (in Reihe) besteht. Während die beiden Konfigurationen die gleiche Gesamtladung und Energie speichern können, macht der verfügbare Spannungsbereich des Kondensatorstrings einen einzelnen Reihenstrang vorteilhaft. Wenn beispielsweise eine Last vorhanden ist, die eine Vorspannung von 5 V erfordert, benötigt SW2 eine Spannung von etwa 6 V (angesichts des maximalen Arbeitszyklus und anderer Differenzdruckfaktoren).

● Energie im Kondensator W = CV2 / 2, verfügbare Energie W = C / 2 (Vcharge2-Vdicharge2)

● Für zwei Kondensatorstränge mit 4 Kondensatoren pro String ist die verfügbare Energie W = 2 * [(10F / 4) / 2 * ((2,7V * 4) 2-6V2)] = 201,6J

● Für einen einzelnen Kondensatorstrang mit 8 Kondensatoren (Serie) beträgt die verfügbare Energie W = 1 * [(10F / 8) / 2 * ((2,7V * 8) 2-6V2)] = 269,1J

Da die beiden Kondensatorbänke die gleiche Gesamtenergie speichern können, ist der Lade- / Deaktivierungsprozentsatz des Kondensatorstrangs mit niedrigerer Spannung umso geringer. In diesem Fall wird eine höhere Kondensatorstrangspannung bevorzugt, um den Superkondensator auszunutzen.

Die dritte Systemherausforderung besteht darin, wie die Superkondensatorbank aufgeladen wird. Wenn die Superkondensatorspannung aufgrund des hohen Kapazitätswerts Null ist, muss SW1 anfänglich unter Bedingungen ähnlich dem Ausgangskurzschluss lange arbeiten. Herkömmliche SW1 können im Dösen-Modus stecken bleiben und den Superkondensator nicht aufladen. Zum Schutz des Superkondensators und des SW1 ist zu Beginn der Ladephase eine zusätzliche Strombegrenzung erforderlich. Eine zufriedenstellende Lösung besteht darin, SW1 zu ermöglichen, über einen langen Zeitraum einen kontinuierlichen Ladestrom ohne Ausgangsspannung bereitzustellen.

Es gibt viele Möglichkeiten, einen Superkondensator aufzuladen. Konstantstrom / Konstantspannung (CICV) ist die bevorzugte Methode der Wahl, wie in Abbildung 2 (CIVE-Kurve) dargestellt. Zu Beginn des Ladezyklus arbeitet die Ladevorrichtung (SW1) in einem Konstantstrommodus und liefert dem Superkondensator einen konstanten Strom, so dass seine Spannung linear ansteigt. Wenn der Superkondensator auf die Zielspannung aufgeladen wird, aktiviert und steuert die Konstantspannungsschleife den Ladepegel des Superkondensators genau, um ihn konstant zu halten und eine Überladung zu vermeiden. Auch diese priorisierte Lösung erfüllt die Anforderungen an Energieverwaltungsfunktionen, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen.

Am Beispiel von 1 ist es im Fall einer 48-V-Hauptstromversorgung, einer 25-V-Superkondensator-Bankspannung und einer Lastspannung von 3,3 V, 5 V, 12 V usw. angebracht, eine synchrone Buck-Funktion für SW1 auszuwählen und SW2. Da die Hauptherausforderung mit dem Laden von Superkondensatoren zusammenhängt, ist die Wahl von SW1 sehr wichtig. Die ideale Lösung für SW1 erfordert Power-Management-Funktionen, die bei hohen Eingängen (48 V) und hohen Ausgängen (25 V) arbeiten und gleichzeitig eine CICV-Modulation bieten.

Beispiel für eine Superkondensator-Ladelösung

Um das Ladeverhalten des Superkondensators zu veranschaulichen, nehmen wir als Beispiel den synchronen Buck-Regler. Erläutern Sie die wichtigsten Probleme und Lösungen und verwenden Sie experimentelle Wellenformen, um das Verständnis zu verbessern.

Abbildung 3 zeigt ein vereinfachtes Schema eines synchronen Buck-Reglers, der den CICV-Modus implementiert, der von Intersils ISL78268 gesteuert wird. Um die Superkondensatorbank unter CICV-Kontrolle auf 25 V aufzuladen, wurden bei der Auswahl des Reglers folgende Funktionen berücksichtigt:

1. Synchroner Buck-Controller, der mit VIN> = 48 V und VOUT "= 25 V betrieben werden kann.

2. Konstantstrom- und Konstantspannungs-Anpassungsfunktion, mit der der Einstellmodus automatisch umgeschaltet werden kann.

3. Implementieren Sie einen genauen Stromerfassungseingang im Systemversorgungsspannungsbereich, um den CI-Modus zu erreichen. Bezugnehmend auf Fig. 3 erfasst die Steuerung den Dauerstrom der Induktivität, dh den Ladestrom. Der Stromerfassungsverstärker des Controllers muss der Gleichtaktspannung standhalten können, die in diesem Beispiel 25 V beträgt.

Ein kleines Funktionsblockdiagramm des synchronen Buck-Controllers ISL78268

Abbildung 4 zeigt ein kleines Funktionsblockdiagramm des synchronen Buck-Controllers ISL78268. Wie gezeigt, gibt es zwei unabhängige Fehlerverstärker mit den Bezeichnungen Gm1 und Gm2, um eine konstante Spannung (Gm1) und einen konstanten Strom (Gm2) zu erreichen.

Der Fehlerverstärker Gm1 wird zur CV-Regelung verwendet. Es vergleicht die Rückkopplungsspannung von FB mit der internen 1,6-V-Referenzspannung und erzeugt eine Fehlerspannung am COMP-Pin. Der FB-Pin ist von der Ausgangsspannung mit einem Widerstandsteiler verbunden und wird auf eine FB-Spannung von 1,6 V eingestellt, wenn die Ausgangsspannung den erwarteten Spannungspegel erreicht. Die COMP-Spannung repräsentiert dann die Differenz zwischen der erwarteten Ausgangsspannung und der tatsächlichen Ausgangsspannung. Der COMP wird dann mit dem Induktorstrom verglichen, um ein PWM-Signal zu erzeugen, um die Ausgangsspannung so zu steuern, dass sie konstant bleibt.

Der Fehlerverstärker Gm2 wird zur CI-Regelung verwendet. Es vergleicht die IMON / DE-Pin-Spannung mit der internen 1,6-V-Referenzspannung und erzeugt eine Fehlerspannung am COMP-Pin. Die IMON / DE-Pin-Spannung wird intern erzeugt und repräsentiert den durchschnittlichen Lastwert der Ausgangsinduktivität. Daher ist die COMP-Spannung aktiv, wenn die Gm2-Schleife aktiviert ist (die Diode zwischen den Ausgängen von Gm1 und Gm2 wählt effektiv aus, welche Schleife aktiv ist), um die Differenz zwischen dem erwarteten Ausgangsstrom und dem tatsächlichen Ausgangsstrom darzustellen. Der COMP wird dann mit dem Induktorstrom verglichen, um ein PWM-Signal zu erzeugen, um die Ausgangsspannung so zu steuern, dass sie konstant bleibt.

In der Ladephase, bevor die Superkondensatorspannung die Zielspannung erreicht, wird der COMP-Pin vom Ausgang von Gm2 angesteuert, um einen PWM-Ausgang für die CI-Steuerung zu erzeugen. Wenn die Superkondensatorspannung den Zielwert erreicht, nimmt der Ladestrom ab, wodurch die IMON / DE-Pin-Spannung abfällt und die CI-Schleife getrennt wird (wenn IMON / DE 1,6 V), sodass die CV-Schleife natürlich die Steuerung von übernimmt COMP, also die Ausgangsspannung konstant halten.

Der Buck-Controller ISL78268 verfügt sowohl über einen PWM-Controller im Spitzenstrommodus (ein zuverlässiger zyklischer Spitzenstrommodulator) als auch über eine externe konstante Durchschnittsstromschleife, die sich ideal zum Laden von Superkondensatoren eignet.

Jetzt können wir uns auf die implementierte Implementierung der Superkondensatorladung konzentrieren. Die 5, 6 und 7 zeigen die experimentellen Wellenformen eines synchronen Buck-Controllers, der vom ISL78268 gesteuert wird, um eine Superkondensatorbank (12-Band-Kondensator der Serie 50F / 2,7 V) zu laden. Der Superkondensator wird vom Netz auf 25 V aufgeladen.

Fig. 5 zeigt mehrere Stufen der Superkondensatorladung. In der ersten Phase beträgt das durchschnittliche Stromsignal am IMON / DE-Pin von Vo zunächst fast 0.ISL78268 hat 1,6 V (den Referenzwert des erwarteten Ladestroms) nicht erreicht, sodass die CI-Schleife noch nicht aktiviert wurde. In diesem Stadium ist der Spitzenstrom des Induktors zyklisch auf einen festen OC-Schwellenwert begrenzt. Zu Beginn der Ladephase, in der VOUT auf einem niedrigen Pegel liegt (FB "0,4 V"), wird die maximale Schaltfrequenz auf 50 kHz begrenzt, um das erwähnte Durchgehen des Induktors aufgrund der Spitzenstrombegrenzung bei niedrigem VOUT zu verhindern.

Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Wellenform der ersten Stufe. Phase 2 beginnt, wenn die IMON / DE-Pin-Spannung (gelbe Kurve) 1,6 V erreicht. In diesem Stadium schaltet sich die CI-Schleife ein und zieht das COMP-Signal (Cyan-Trace) herunter, um den Ausgangsstrom zu stabilisieren und die IMON / DE-Pin-Spannung konstant zu halten. Die IMON / DE-Pin-Spannung repräsentiert das erfasste durchschnittliche Ausgangsstromsignal. Die IL-Wellenform (grüne Kurve) zeigt, dass der durchschnittliche Strom in Phase 2 auf ein konstantes Niveau geregelt wird. Die Ausgangsspannungswellenform (rosa Kurve) zeigt, dass der Superkondensator durch einen konstanten Ladestrom linear geladen wird.

Phase 3 beginnt mit einer am FB-Pin erkannten Spannung von 0,4 V (Abbildung 7). Nach diesem Trigger wird die Konstantstrom-Stabilisierungsschleife vollständig eingeschaltet, sodass die Schaltfrequenz automatisch auf vorprogrammierte 300 kHz eingestellt werden kann. Bei höheren Schaltfrequenzen wird die Welligkeit des Induktorstroms (grüne Kurve) erheblich reduziert. Die Ausgangsspannung (rosa Kurve) steigt weiterhin linear an, was anzeigt, dass der Superkondensator linear geladen ist.

Zurück zu 5 endet die dritte Stufe, wenn Vo eine Zielspannung von 25 V erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird die CV-Schleife eingeschaltet und die Ausgangsspannung stabilisiert. Die durchschnittliche Stromschleife ist unterbrochen. Abbildung 5 zeigt, dass die Ausgangsspannung (rosa Kurve) flach ist und der Induktorstrom reduziert wird. Der IMON / DE-Pin-Strom, der den durchschnittlichen Ladestrom darstellt, fällt ebenfalls ab und zeigt das Ende des Konstantstromstabilisierungsprozesses an.

Fazit

Superkondensatoren werden aufgrund ihrer inhärenten physikalischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Batterien als energiespeicherlösungen in Automobil-, Industrie- und Verbraucherprodukten verwendet. Um die speicherbare Energie der Superkondensatorbank zu maximieren, besteht die beste Lösung häufig darin, mehrere Superkondensatorzellen in Reihe zu schalten, um eine Gruppenspannung mit hoher Kapazität zu erreichen. Beim Laden ist es am besten, die CICV-Methode zu verwenden, um den hohen Strom, der durch den niedrigen ESR während des Ladens des Superkondensators erzeugt wird, auf eine konstante Spannung zu begrenzen. Durch den konstanten Strom kann auch der Ladungsverlust gesteuert werden, wodurch die erzeugte Wärmemenge verringert und die Lebensdauer des Superkondensators verlängert wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Ladeschaltung hohe Spannungen toleriert und CICV-Steuerfunktionen bereitstellt.

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