超級電容器（也稱為超級電容器）具有高功率能力，使其成為需要高電流短充電和放電周期的應用的理想選擇。在本應用說明中，我們將展示自動托盤穿梭車的實用設計。在此應用中，快速充電可由基于同步降壓超級電容器充電器控制器的靈活、高效、高電壓和高電流充電器提供。

介紹

超級電容器（也稱為超級電容器）與其他儲能介質相比具有獨特的優勢，并且越來越多地用于各種應用。

與普通電容器相比，超級電容器可以容納大量能量。它們還具有非常高的功率密度，允許相對于電池進行較大的充電和放電電流。與電池不同，超級電容器的工作電壓低至0V，并且不會受到過放電的影響。這些特性使超級電容器成為需要快速充電和放電的應用的正確選擇。我們將介紹一個概念性的快速超級電容充電器設計，使用MAX17701作為現代倉庫中的自動通道載體（或托盤穿梭車）。

超級電容器特性

首先，讓我們來看看超級電容器的一些關鍵特性。與電池不同，超級電容器基于靜電原理工作，沒有化學反應，避免了與電池化學儲存相關的高內阻和壽命問題。

超級電容器也稱為雙層電容器（EDLC），通過在電極-電解質界面處插入電荷形成雙層電荷來存儲電能，從而實現比普通電容器更高的儲能能力。超級電容器的主要特性如下：

高功率輸出，能夠以大電流快速充電/放電

低內阻，低充放電損耗

完全放電至 0V

充電和放電數千次。使用壽命長達 40 年，具體取決于工作溫度和施加電壓

普通電容器通常由兩塊金屬板組成，由絕緣體（如空氣或塑料薄膜）隔開。在充電過程中，電子積聚在一根導體上并離開另一根導體。一方獲得負電荷，而另一側建立正電荷。負電荷對正電荷的自然拉力通過絕緣體產生電場并存儲能量。

超級電容器還包含兩塊金屬板，僅涂有稱為活性炭的多孔材料。它們浸入由溶解在溶劑中的正離子和負離子制成的電解質中。一個板是正極，另一個是負極。超級電容器通過在形成雙層電荷的電極-電解質界面插入電荷來儲存電能，因此得名雙層電容器。電荷通過靜電引力物理沉積，從而產生快速的充放電動力學、高功率密度和長生命周期（因為與電池不同不涉及化學反應）。1,2

用于自動通道載體的快速超級電容器充電器設計

在由一個或多個貨架單元組成的現代存儲設施中，它由不同樓層的大量通道組成，可存儲數千個托盤。對于每一層，轉運車服務于存儲通道（X 軌道），而電動自動通道托架在其中移動（軌道 Y），見圖 1。通道載體（穿梭車）是使用超級電容器作為主要電力來源的理想應用。超級電容器在轉運車上幾秒鐘內快速充電。通道內的自主穿梭飛行僅持續幾秒鐘，每次飛行所需的能量有限，由超級電容器提供。當穿梭車停靠在提供24VDC電源的轉運車上時，超級電容器會充電。班車始終可用，并且可以連續運行，24/7。

圖1.在一個存儲層中轉移汽車和過道托架（班車）。

設計規范

通道載體充電/放電規格：

通道載波電機（和其他電路）最大功率要求，嘴唇：12V 在 5A

通道托架在通道中的最長工作時間，tC：5 秒

轉運車上的通道托架最短停靠時間，tD：10 秒

轉運車上的電源，VS： 24V 直流 ±10%

超級電容器組，C，預期壽命：>10年

圖2.轉運車和過道托架動力系統圖。

選擇和確定超級電容器的工作范圍

我們將從輸出功率要求開始，P或為 12V x 5A = 60W。在允許85%升壓轉換器效率的情況下，我們需要升壓轉換器的輸入功率為60W/85% = 70.6W。因此，超級電容器模塊所需的能量為 E = 70.6W x tC= 每次穿梭運行的最大 353J。

超級電容器組有 3 節串聯電池，總額定工作電壓為 9V。允許90%的電壓降額以延長超級電容器的使用壽命，最大充電電壓為9V x 90% = 8.1V （V。.MAX).這將使電容器組在15°C工作溫度下的使用壽命為40年，如圖3所示。超級電容器組必須具有適當的電池平衡電路，以實現全電壓降額優勢。

圖3.AVX-SCC 超級電容器預期壽命與電壓降額和溫度的關系3.

即使超級電容器可以放電低至 0V，升壓 DC-DC 工作電壓范圍也僅允許在低至 2.7V （V最低).現在，我們可以確定所需的電容：

C = 2 x E / (VMAX2 – VMIN2), or C = 2 x 353J / (8.1V2 – 2.7V2) = 12F

使用三個SCCV40E506SRB串聯，每個50F，這提供了15F。該數字已經考慮了-10%的電容初始容差，并提供了額外的25%容量裕量。

設計超級電容器充電器

充電器必須在 15 秒或更短的時間內將這個 2F 超級電容器從 7.8V 充電至 1.10V。我們可以計算充電電流IC，如下所示：

IC = C x dV/dt = 15F x (8.1V - 2.7V)/10s = 8.1A

選擇我C= 10A，為充電電流和電壓容差留出足夠的裕量。還值得注意的是，這個 10A 電流遠不及所選超級電容器的額定電流，其峰值電流限制額定值為 37.5A。相對于峰值額定電流的低充電電流意味著電容器的內部熱量相對較低。

采用MAX17701的快速超級電容器充電器電路

MAX17701為高效、高壓喜馬拉雅同步、降壓、超級電容充電器控制器，設計工作在4.5V至60V輸入電壓范圍。該器件以 ±4% 精度的恒定電流為超級電容器充電，該恒定電流是可編程的。超級電容器充電后，器件以±1%的精度調節空載輸出電壓。輸出電壓可在 1.25V 至 （VDCIN - 2.1V） 范圍內進行編程。MAX17701是本應用中快速超級電容充電器的理想選擇。

除許多其他特性外，MAX17701還提供安全定時器（TMR）功能，用于設置允許的最大恒流（CC）模式充電時間。該器件具有一個非專用比較器，可用于檢測輸出過壓事件 （OVI） 并防止超級電容器過度充電。讓我們來看看其中的一些功能，并將它們適當地設置為我們的自動通道載體快速超級電容器充電器設計。

圖4是使用MAX17701的充電器的簡化原理圖。

圖4.轉運車和過道載波電力系統參數圖計算。

開關頻率設定

RT/SYNC 是開關頻率編程/同步輸入。我們將保持RT/SYNC在默認的350kHz頻率下處于打開狀態。開關頻率可在 125kHz 至 2.2MHz 范圍內調節，并可與一個外部時鐘同步。較高的開關頻率會減小輸出LC濾波器的尺寸，但會降低效率。請參考MAX17701數據資料了解更多詳情。

工作輸入電壓設置

輸入電源為 24VDC ± 10%。讓我們再給它 10% 的裕量，因此我們將充電器的最低工作電壓設置為 19.2V。EN/UVLO 引腳為使能/欠壓閉鎖輸入，上升門限為 1.25V。請參考MAX17701數據資料中的設置輸入欠壓鎖定電平（EN/UVLO）部分，計算電阻分壓器R6和R7值。

CC 模式充電電流設置 （ILIM）

讓我們在RS上使用50mV的（VCSP - VCSN），以獲得±4%的充電電流精度。我們的目標充電電流ICHGMAX（或IC）為10A。

RS = (VCSP - VCSN)/I = 50mV/10A = 5mO

VILIM = 30 × RS × ICHGMAX = 30 x 5mO x 10A = 1.5V

該值可以通過將ILIM直接連接到VREF來方便地設置，而無需使用電阻分壓器。

如圖3所示，在電流檢測信號路徑中連接一個R-C濾波器，以衰減開關噪聲，同時保持精度和帶寬。R-C濾波器轉折頻率應為開關頻率的5倍。推薦的濾波電阻（R5）為40O，對電流檢測精度的影響最小。

C5 = 1/(2p x R1 x 5 x fSW) = 1/(2p x 40O x 5 x 350kHz) = 2.3nF

讓我們使用 C5 = 2.2nF，它是最接近的標準值。

安全定時器設置

安全定時器 （TMR） 功能用于設置允許的最大恒流 （CC） 模式充電時間。在我們的應用中，以15A電流將0F超級電容器從8至1.10V充電大約需要12秒。設置tSC_TMR至 18 秒，為定時器容差和裕量留出 50% 余量。如果充電在 CC 模式下停留超過 18 秒，充電器將關閉，然后在 4 x t 后重新啟動SC_TMR，或 52 秒后。

使用以下公式計算 CTMR對于所需的 TSC_TMR:

CTMR = 1.15 × （tSC_TMR/（2 × 32767） - 1.2μ） × 10μA/（1.5V - 0.96V） = 5.8nF;
其中：
tSC_TMR= 所需的安全計時器超時設置（以秒為單位）。
CTMR= 以法拉為單位的 TMR 電容器。
讓我們使用 CTMR= 6.8nF，這是最接近的標準電容值。

輸出調節電壓設置

請參閱數據表中的輸出電壓和電壓調節環路（FB）設置部分，計算R1和R2值，將我們的應用輸出電壓調節設置為標稱值8.1V。

輸出過壓設置

過壓保護功能可以保護超級電容器組免于過度充電。如果 V這些超過 VOVI_TH，充電停止，充電器進入閉鎖故障。請參考數據手冊計算R3和R4值，將輸出過壓門限設置為9V。

選擇輸入短路保護 MOSFET

GATEN 引腳控制連接在電源 DCIN （VS）和 V在以防止超級電容器放電，如果 VS簡稱為 PGND。為額定電壓為 3V 或更高、額定電流為 40A 或更高的 Q20 選擇功率 MOSFET。VISHAY SIR826ADP MOSFET （80V/60A） 對于此應用來說綽綽有余。該 MOSFET 具有低 RDS（ON）最大限度地減少傳導損耗，提高效率。

選擇開關功率 MOSFET 和輸出濾波器

在 350kHz 時，輸入電壓標稱值為 24V，輸出電壓為 8.1V。在穩態恒壓模式下，開關占空比約為34%，頂部開關導通時間為1μs。允許30%穩態輸出電流紋波，我們需要輸出濾波電感值為：

LO = (24V - 8.1V) x 1μs/3.3A = 4.8μH

L或最大輸出電流為10A DC，峰峰值紋波電流為3.3A。選擇具有足夠額定電流的電感器。對于開關功率MOSFET，選擇VISHAY SIR826ADP （80V/60A）作為Q1和Q2。

選擇開關頻率、輸出濾波電感和開關功率MOSFET是解決方案效率、尺寸和成本的平衡。

結論

與其他儲能介質相比，超級電容器具有獨特的優勢，并且越來越多地用于各種應用。超級電容器可以容納大量能量并具有非常高的功率密度，允許較大的充電和放電電流。超級電容器是需要快速充電和放電的應用的正確選擇，例如現代倉庫中的自動通道載體。MAX17701是快速超級電容充電器設計的理想控制器。

審核編輯：郭婷