超级电容充电策略
第５期（总第１７４期）
２０１２年１０月机械工程与自动化
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５
Ｏｃｔ．
文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－０１７０－０
２超级电容充电策略研究
汪亚霖，文 方
（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 ５５０００１
）摘要：超级电容是一种绿色环保的电化学电容器，其充电过程受内阻和有效电容等诸多因素的影响，对其充电方法进行研究，在以后的工程应用中具有重要的意义。采用二阶段充电模式对其充电，控制电路以ＴＭＳ３２芯片为核心，通过检测超级电容的端电压，送入ＤＳＰ进行分析和处理，得到相对应的ＰＷＭ控制信号来控制主回路开关管（ＩＧＢＴ）的开通和关断，从而改变充电电流的大小，实现超级电容的智能充电。关键词：超级电容；充电电路；ＴＭＳ３２中图分类号：ＴＭ５３ 文献标识码：Ｂ
收稿日期：２０１２－０６－０６；修回日期：２０１２－０６－２
１作者简介：汪亚霖（１９８８－）
，女，贵州水城人，在读硕士研究生，主要研究方向：计算机控制技术。０ 引言
超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，是２０世纪７０年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有充电时间短、使用寿命长、
温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。因此，超级电容是一种高效、环保、实用的能量存储装置，
在绿色环保、混合动力、清洁能源、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和潜力，目前发展十分迅速。
超级电容器的充电过程是非常复杂的电化学过程，其内阻和有效电容受诸多因素的影响，具有很强的时变性和非线性，因此，对其建立精确的数学模型比较困难。使超级电容快速有效的充电，对于超级电容在实际工程中的应用具有指导意义。１ 常规充电法１．１ 恒定电压充电法
在充电过程中，充电电压始终保持不变的方法叫做恒定电压充电法，其优点是可避免充电后期由于充电电流过大造成的极板活性物质脱落及电能的损失，其缺点是由于充电初期充电电流过大，容易使电池极板弯曲，
造成电池报废。１．２ 恒定电流充电法
在充电过程中，充电电流始终保持不变的方法叫做恒定电流充电法，
此方法使电池充电时间缩短。在允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电时间越短。但若在充电后期仍保持充电电流大小不变，
将导致电解液析出气泡过多而呈现出沸腾状态，这不但浪费了电能，而且容易使电池温升过高，造成电池存储
容量下降而提前报废。因此，
此充电方法很少采用［１］
。２ 快速充电技术—
——脉冲式充电法脉冲充电法首先采用脉冲电流对电池充电一段时间后让其停充一段时间，如此循环。此充电方法可使蓄电池的充电接收率得到提高。脉冲充电法在其停充阶段使电池经化学反应产生的氧气和氢气能重新反应而被吸收掉，从而使欧姆极化和浓差极化自然而然地被消除，
减轻了蓄电池的内压。脉冲充电法减少了电池的析气量，使其有较充分的反应时间，大大提高了电
池的充电效率［
２］
。图１为脉冲式充电曲线。图１ 脉冲式充电曲线
３ 超级电容器模组充电电路设计
结合上述各种方法的优缺点，本文设计采用两阶段充电模式，即首先采用脉冲快速充电方法，以使其消除电池极化，避免了超级电容在充电过程中的温升过高；再采用浮充补足充电法对其进行充电，可使超级电容恢复至完全充电状态，使其达到额定容量。
快速充电部分由Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路构成，它产生所需要的正负脉冲，
形成双向能量流动电路。电路中包
超级电容的充电方式
超级电容的充电方式 Hessen was revised in January 2021
随着动力电池的发展和应用，动力电池的充电技术也应运而生，目前所采用的比较传统的充电方式有恒流充电和恒压充电。 恒流充电是在充电过程中，全程采用恒定不变的电流进行充电，一般适用于在电流不大的情况下，进行长时间充电； 恒压充电则是采用动力电池可接受的恒定的电压进行充电； 之后又出现了上述两种充电方式的组合模式，如 恒流限压充电(充电到限定电压后，通过减小充电电流限制电压上升)、 恒压限流充电(充电电压恒定，充电电流始终小于限定的电流值) 先恒流后恒压充电(先恒定电流充电，当充电到指定电压时转为恒定电压充电)等， 因为这些方式没有比较准确的控制而且模式比较单一，在充电时间、充电效率等方面并不十分理想；但由于所需控制量少、实现简单，这些方式在很多场合下仍被采用[31]。 由于动力电池存在固有的可接受充电电流曲线，随着充电时间的增加，可接受充电电流随之减少，因此采用恒压或恒流的充电方式，充电过程始终小于或大于电池可接受的充电电流的状态下进行，从而降低了充电效率，延长了充电时间。 因此根据动力电池的自身充电规律，可以把充电过程细分为若干阶段，各个阶段采用不同的充电模式，或者根据电池的不同状态，采用相应的充电模式，使整个充电过程更符合动力电池的充电特性。研究表明这种方式可以有效地减小充电时间、提高充电电量，但该方式控制方式比较复杂，通用性不强[32]。 脉冲充电方式也是常用的充电模式之一。脉动式充电是指充电电流或电压以脉冲的形式加在蓄电池两端进行充电，可以缩短充电时间，增大充放电容量，减少电池发热，提高充电效率。有实验表明[33][34]如果可以提供正、负相间的电流脉冲，就能增加动力电池的循环使用次数，延长使用寿命。但现有的脉冲充电器的充电脉冲宽度和间歇时间大多是固定的，无法根据充电状态进行相应的改变（可否考虑PWM），因此充电效果受到了影响。 超级电容器的原理不同于蓄电池，其充放电过程的容量状态有其自身的特点。超级电容器受充放电电流、温度、充放电循环次数等因素影响，其中充放电流是最主要的影响因素。由于超级电容器一般采用恒流限压充电的方法，本文主要分析恒流充电条件下的超级电容器特性。恒流限压充电的方法为控制最高电压为Umax，恒流充电结束后转入恒压浮充，直到超级电容器充满。采用这种充电方法的优点是：第一阶段采用较大电流以节省充电时间，后期采用恒压充电可在充电结束前达到小电流充电，既保证充满，又可避免超级电容器内部高温而影响超级电容器的容量特性。 超级电容器具有非常高的功率密度，为电池的10—100倍，适用于短时间高功率输出；充电速度快且模式简单，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电；无需检测是否充满，过充无危险；
超级电容的充放电实验曲线测试(含答案)
超级电容器的充放电实验曲线测试 一、实验目的 了解超级电容器结构组成以及工作原理，理解超级电容器等效电路模型，学会绘制超级电容器充放电曲线。 二、超级电容器结构以及工作原理 超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔膜四个部件。超级电容器电极由多孔材料在金属薄膜（常用铝）上沉积而成，而活性炭则是常用的多孔材料。充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。电解质的选择往往是电容器单体电压和离子导电性之间妥协的结果，追求离子导电性的最大化可能会导致所选择的电解质分解电压低至1V 。隔膜通常是纸，起绝缘作用，可以防止电极之间任何的导电接触。必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。 超级电容器是利用双电层原理的电容器。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相应减少。 三、实验线路图 四、实验步骤 1、充电实验 按照实验线路图连接电路，将开关接到K端，使电源接入电路中，实现超级电容的充电过程，通过串口命令记录电流和电压。 2、放电实验 在超级电容器充电完成后，将开关接到另一端，将电源断开，实现超级电容的放电过程，通过串口命令记录电流和电压。 五、注意事项 1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。 2、超级电容器应在标称电压下使用。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。 3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。 4、外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。 5、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
超级电容充电策略
第５期（总第１７４期） ２０１２年１０月机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．５ Ｏｃｔ． 文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０５－０１７０－０ ２超级电容充电策略研究 汪亚霖，文 方 （贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 ５５０００１ ）摘要：超级电容是一种绿色环保的电化学电容器，其充电过程受内阻和有效电容等诸多因素的影响，对其充电方法进行研究，在以后的工程应用中具有重要的意义。采用二阶段充电模式对其充电，控制电路以ＴＭＳ３２芯片为核心，通过检测超级电容的端电压，送入ＤＳＰ进行分析和处理，得到相对应的ＰＷＭ控制信号来控制主回路开关管（ＩＧＢＴ）的开通和关断，从而改变充电电流的大小，实现超级电容的智能充电。关键词：超级电容；充电电路；ＴＭＳ３２中图分类号：ＴＭ５３ 文献标识码：Ｂ 收稿日期：２０１２－０６－０６；修回日期：２０１２－０６－２ １作者简介：汪亚霖（１９８８－） ，女，贵州水城人，在读硕士研究生，主要研究方向：计算机控制技术。０ 引言 超级电容器又叫双电层电容器，是一种新型储能装置，是２０世纪７０年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型储能器件，具有充电时间短、使用寿命长、 温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。因此，超级电容是一种高效、环保、实用的能量存储装置， 在绿色环保、混合动力、清洁能源、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和潜力，目前发展十分迅速。 超级电容器的充电过程是非常复杂的电化学过程，其内阻和有效电容受诸多因素的影响，具有很强的时变性和非线性，因此，对其建立精确的数学模型比较困难。使超级电容快速有效的充电，对于超级电容在实际工程中的应用具有指导意义。１ 常规充电法１．１ 恒定电压充电法 在充电过程中，充电电压始终保持不变的方法叫做恒定电压充电法，其优点是可避免充电后期由于充电电流过大造成的极板活性物质脱落及电能的损失，其缺点是由于充电初期充电电流过大，容易使电池极板弯曲， 造成电池报废。１．２ 恒定电流充电法 在充电过程中，充电电流始终保持不变的方法叫做恒定电流充电法， 此方法使电池充电时间缩短。在允许的最大充电电流范围内，充电电流越大，充电时间越短。但若在充电后期仍保持充电电流大小不变， 将导致电解液析出气泡过多而呈现出沸腾状态，这不但浪费了电能，而且容易使电池温升过高，造成电池存储 容量下降而提前报废。因此， 此充电方法很少采用［１］ 。２ 快速充电技术— ——脉冲式充电法脉冲充电法首先采用脉冲电流对电池充电一段时间后让其停充一段时间，如此循环。此充电方法可使蓄电池的充电接收率得到提高。脉冲充电法在其停充阶段使电池经化学反应产生的氧气和氢气能重新反应而被吸收掉，从而使欧姆极化和浓差极化自然而然地被消除， 减轻了蓄电池的内压。脉冲充电法减少了电池的析气量，使其有较充分的反应时间，大大提高了电 池的充电效率［ ２］ 。图１为脉冲式充电曲线。图１ 脉冲式充电曲线 ３ 超级电容器模组充电电路设计 结合上述各种方法的优缺点，本文设计采用两阶段充电模式，即首先采用脉冲快速充电方法，以使其消除电池极化，避免了超级电容在充电过程中的温升过高；再采用浮充补足充电法对其进行充电，可使超级电容恢复至完全充电状态，使其达到额定容量。 快速充电部分由Ｂｕｃｋ／Ｂｏｏｓｔ电路构成，它产生所需要的正负脉冲， 形成双向能量流动电路。电路中包
电双层型超级电容的原理及充电方法
电双层型超级电容的原理及充电方法 早晨起床，给手机充电只要一分钟，便可将电充满。这不是做梦!以电双层为代表的大容量电容器，以超级电容的名字已经有了20年以上的商品化历程．近年来。更是在大容量、高耐压方面有了惊人的进步。成为蓄电池辅助蓄电装置，甚至取代蓄电池。大容量电容器中。除电双层型以外。尚有混合型(锂系电容器)和氧化还原型两种。电双层型的耐压为2～3.3V，而混合型(锂系)耐 压为3.6～4.2V。由于大容量电容器的蓄电能力是以耐压值的平方数增加 (U=CV2/2)，所以提高耐压值可使蓄电能力快速提高。电双层型大容量电容器 f以下称超级电容)的容量可做到100F(法拉)以上，内阻仅1mΩ，而锂系已经有单体达10000F的大容量电容器，将成为下一代蓄电装置。 一、电双层型电容器的原理及特性 如图1所示，因在充电时电解液中的正离子被电子吸引、而负离子被空穴吸引,于是分别在正、负电极和电解液的接触面形成两个绝缘层并产生了电位差。充电完成后，其形态犹如两个串联的电容器，被称为电双层电容器。在放电时，电子和空穴并不结合，而是释放正、负离子到电解液中。显然。电极和电解液接触面积大的，其容量也大。与充电电池相比，超级电容没有化学反应，具有不发热、无劣化、高效率、长寿命的优点。 二、充电监控电路 1．多个电容的均一充电 在将多个超级电容串联起来组成更大容量组件的场合，各个超级电容的容量、初始电压、内阻都不会相同，因而即使用相同的电流充电。充满电的时间也是不同的。因此有必要设置防止过充电的监控电路，即并联监控电路。图2是一种简单的监控电路，每个电容并联一个稳压二极管，起分流作用。由于稳压二
超级电容器使用注意事项
超级电容器使用注意事项 （1）超级电容器极性问题 与普通电解电容器或电池不同的是，由于超级电容器正负极采用的是同种材质，从理论上讲是不存在极性的；而超级电容器所标识的极性是生产商在生产工艺过程制定的，当电容使用中不小心短期反向使用，不会造成电容器实质性破坏，调整为正向可保证使用，但不可长期反向使用，会造成电容寿命特性迅速衰减。 （2）关于超级电容器充电问题 超级电容器充电需要采用不超过额定电压的直流电压，可采用限流、恒流、恒功率、恒电压等多种充电方式；超级电容器充电时可能会拉低充电电源电压，直到电容器充满维持电压平衡。 （3）超级电容器的内阻及容量问题 在充放电过程中，超级电容器的内阻引起的IR 降，会损失电容器的充放电效率，故电容器内阻大小在一定程度上决定了电容器品质的优劣，而由于超级电容器的内阻要大于普通电容器，在交流电路或高频率充放电过程中，电容会发热，造成寿命迅速衰减，这也是超级电容一般只用于直流电路的原因。 与普通电容器相比，超级电容器具有较大的时间常数τ，所以充放电时间均较长，也正因为如此，不适合连续的大电流频繁工作，会引起发热性能迅速衰减。超级电容器的频率特性表现为高频率下，碳电极微孔中的正负离子响应时间较长，故表现的容量很小。不可采用普通测量电容器设备交流测量容量，而是要采用基于电池测量mAh 方法进行测试。 （4）运输及储存 产品运输过程应防止产品受潮，储存温度应为-30℃~50℃、相对湿度小于60%，最大湿度不可超过85%，否则会导致电容受潮性能劣化或生锈。 （5）安装与焊接 超级电容器用于双面电路板上时，要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，否则会导致产品短路过压及电容器损坏。安装过程及安装后，不可强行扭动或倾斜电容器，不得用力拉拽引线，应先断针及折弯后焊接。在焊接过程中要避免使电容器过热（1.6mm 的印刷线路板，焊接时应为260℃，时间不超过5s ），焊接后，线路板和电容器要清洗于净。 （6）超级电容器短路判断 短路电容应不能进行充放电，在电容正负极间施加直流电压，电容电压不升高，可判定短路，用万用表判定时，新电容在 为充电时，以欧姆档测量（短路挡）指示为短路状态，是正常现象，不能确定电容即为短路，应观察阻值是否增加，如增加即 尽量不要布线
超级电容组充电解决大电容充电方案
超级电容组充电解决大电容充电方案 超级电容（Supercapacitor[SC]或ultracapacitor）亦称双电层电容（electric double-layer capacitor），目前越来越广泛地用于各种电源管理系统。在汽车应用（如具有再生制动功能的起停系统）中，超级电容能够提供使起动器啮合所需的能量，以重启燃烧发动机，并接收在制动期间回收的动能。超级电容的优势在于其充放电次数显着多于传统铅酸电池，同时能够更迅速地吸收能量而不减少其预期寿命。这些特点还使超级电容对工业后备电源系统、快速充电无绳电动工具和远程传感器具有吸引力，因为对这些应用来说，频繁更换电池是不切实际的。 本文讨论了有关为这些大电容充电的挑战，并向电源系统设计工程师介绍了如何评估和选择适合后备能量存储应用的最佳系统配置。文中介绍了一种超级电容充电器解决方案范例，并提供了波形和详细解释。 系统详述 许多系统配置都使用超级电容组作为后备能量存储组件。一开始，设计工程师需要确定其能量存储配置目标，然后决定可用多大电压来存储能量。解决方案选择取决于负载的功率和电压要求，以及超级电容的能量和电压能力。在确定了最佳解决方案后，还必须对整体性能与成本进行平衡。 图1显示了一种高效率解决方案的框图，其中的负载是需要稳定输入电压（3.3V、5V、12V等）的器件。48V 主电源为正常工作的开关稳压器2（SW2）供电，同时通过开关稳压器1（SW1）为超级电容组充电，使其电压达到25V。当主电源断开时，超级电容组向SW2供电，以维持负载的连续运行。 图1.一种使用超级电容组的电池后备系统的框图 选定超级电容后，系统工程师还必须选择为超级电容充电的目标电压，其根据是超级电容的定额曲线。大多数超级电容单元的额定电压范围为室温下2.5V-3.3V,此额定值在更高温度时下降，随之带来更长的预期寿命。通常，充电目标电压设置值应低于最大额定电压，以延长超级电容的工作寿命。 接下来需要选择超级电容组的预期电压和SW2拓扑。超级电容组配置可为并联、串联或者并联的串联电容串组合。因为单元电容电压额定值通常低于3.3V,且负载常常需要相等或更高的供电电压，所以针对电容单元配置和SW2的选项是，使用一个电容单元与一个升压转换器，或串联的多个电容单元与一个降压或降压-升压稳压器。若使用升压配置，我们必须确保在超级电容放电时，电压不会下降至低于SW2的最小工作输入电压。该电压下降可能多达超级电容充电电压的一半之多，为此，我们举一个由串联超级电容组合和一个简单降压稳压器（SW1）组成的超级电容组的例子。然后，如果能量要求需要的话，将并联多个串联电容串。 如果选择超级电容的串联组合，则必须根据电容串顶端的最大预期电压来选择所用电容单元的数目。更多的串联电容意味着超级电容串的电容值更小而电压更高。例如，假设选择使用两串由四个2.7V10F电容组成的电容串
超级电容常识
超级电容常识 超级电容基本知识 寿命 超级电容具有比电池更长的使用寿命，但是寿命也不是无限延长的。寿命终止失效模式为等效串联内阻的增加（ESR）升高和容量降低。超级电容实际的寿命失效取决于应用要求，比如长期置于 高温下，高电压和超电流将会导致ESR升高和容量降低。这些参数降低将会延长超级电容的寿命。 电压 超级电容具有推荐的额定工作电压，电压值是根据超级电容在最高的额定温度下最长寿命来设定的。如果使用电压超出额定电压，将会导致寿命缩短，若过压时间较长则内部电解液将会分解为气体，当气体的压力逐渐增强时，超级电容内部将会漏液或防爆阀破裂。 极性 超级电容采用对称的电极设计，正负极具有类似的结构，当电容首次装配时，任一电极都可以被当成正极或者负极，一旦超级电容被第一次充满电时，超级电容将会形成极性化。所以我们在生产过程中将会100%的充放电将极性定型，同时在每一个电容的外壳上面都有一个负极标志。提醒一点：虽然超级电容可以被放电使电压降低到零电压,但是电极还是保留非常少的电荷，此时变换极 性是不可以的。超级电容按照一个方向被充电的时间越长，他们的极性就变得越强。若此时更改极性将会使电容的寿命缩短或损坏。 环境温度 能量型超级电容的正常工作温度是-25℃--70℃，功率型超级电容的正常工作温度是-40℃--60℃，温度及电压对超级电容寿命有影响。一般来说，超级电容的环境温度每升高10℃，超级电容的寿 命就会缩短一半。也就是说在可能的情况下尽可能在最低温度下使用超级电容，那么就可以降低电容的衰减与ESR的升高。若低于正常室温环境下，那么可以降低电压以抵消高温对电容的负面 影响。相反在低温下提高超级电容的工作电压，可以有效的抵消超级电容在低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻升高。在低温下，电容的内阻升高时暂时的，因为在低温下电解液的稠性升高，降低了电离子的远动速度。 放电特性 超级电容放电时，是按照一条斜率曲线放电，当确定应用时超级电容的容量与内阻要求时，最重要的就是要了解电阻及容量对放电特性的影响。在高脉冲电流应用时，ESR是重要的因素。而在低电流应用时，容量是最重要的因素。计算公式如下： Vd=I(R+T/C) Vd是起始工作电压与截止电压之差，I是放电电流，R是超级电容的（ESR），T是放电时间，C是电容的容量。在脉冲应用中，由于瞬间放电流很大，为减少电压的降幅，选用低内阻（ESR） 的超级电容，而在低电流应用中则需要选用高容量的超级电容。 充电方法 超级电容可用各种方法进行充电，如：恒定电流、恒定功率、恒定电压或与能量储存器，或者电源并联（如电池、DC变换器等）。如果超级电容与电池并联，加一个低阻值串联电阻将降低超级 电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。但是如果使用串联电阻，必须要保证电容的电压输出端是直接与应用器连接而不是通过电阻与应用器连接，否则超级电容的低内阻特性将是无效的。在高脉冲电流放电时，许多电池系统寿命均会缩短。 超级电容最大充电电流I计算公式如下： I=V/5R I是推荐的充电电流，V是充电电压，R是超级电容的ESR。超级电容持续大电流或者高压充电，超级电容将会过度发热，过度发热将会导致ESR增加，电解液分解气化，缩短寿命、漏液、防爆 阀爆裂。如果要使用高于额定值的电流或电压充电请与生产厂商联系。 自放电与漏电流 以不同方法进行测量时自放电与漏电流在本质上是相同的，针对超级电容的结构，从正极到负极具备高的耐电流特性。也就是说保留电容电荷，需要少量的额外电流，这个电流就是漏电流。而当移除充电电压时，电容不在负荷时，额外的电流会促使超级电容放电，称为自放电流。 电容串联 单体超级电容的电压一般为2.5V或2.7V，而在许多应用领域要求高电压，超级电容可以设置串联的方法来提高工作电压。确保单一的超级电容电压不超过其最大的额定工作电压是很重要的，否 则会导致电解液分解产生气体，ESR升高，寿命减短。 在放电或者充电时，在稳定状态下因容量和漏电流的差异，都将会导致串联的超级电容电压不平衡现象。在充电时，串联的超级电容将起到电压分配作用，因此低容量单体超级电容将承受更大的电压。例如: 2.5V1F的超级电容串联，两个容量分别为+20%与-20%，则电压分配如下： V1=V供*（C1/(C1+C2)） V供是供给给串联两端的充电电压。 假设V1是+20%容量偏差的电容，若供应充电电压是5V,则： V1=5*(1.2/(1.2+0.8))=3V 所以，为避免超出3V的超级电容浪涌电压范围，串联超级电容的容量必须在同一个趋势范围内。在选择上可以用主动电压平衡电路来降低因容量不平衡而产生的电压不平衡。注意大多数的电压 平衡方法都是取决于具体的应用。 主动电压平衡 主动电压平衡电路能使串联的超级电容上的电压与额定电压驱同而不管有多少电压不平衡产生。同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定的状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时才会产生比较大的电流，这些特性使得主动电压平衡电路是超级电容频繁充放电及如电池等能量组件使用的最理想电路。 被动电压平衡 被动电压平衡电路是忽略超级电容的低内阻直接用高电阻来做平衡电路的一种方式，采用与电容并联电阻进行分压，这就允许电流从高电压的超级电容上流至低电压的超级电容上实现电压的平衡。最重要的是选择平衡电阻值来提供超级电容更高电流的流动而不增加超级电容的漏电流。同时要注意：“漏电流在温度升高的时候会上升的”。 被动平衡电路使用在不频繁对超级电容进行充放电的应用，同时要能够承受平衡电阻的额外电流负载时推荐使用。使用平衡电阻时，建议使用平衡电阻的应能提供最差超级电容漏电流50倍以上 的额外电流，根据最高使用温度选择在3.3KΩ-22KΩ。尽管更大阻值的平衡电阻在大多数情况下也能工作，但其不可能在不匹配的超级电容串联时起到保护作用。 逆向电压防护 当串联使用的超级电容被快速放电时，低容量超级电容的电压将潜在地变为负电压。这是不允许的，同时会降低超级电容的使用寿命。一个简单的防护逆向电压的方法是在超级电容上的两端增加一个二极管。使用适当的额定的限流二极管替代标准的二极管，还可以保护超级电容出现过电压现象。在选择二极管时，“二极管必须能够承受电源的峰值电流”。 脉动电流 超级电容虽然有比较低的内阻，但是相对电解电容而言，其内阻还是比较大的，若应用在脉冲电流的环境中容易引起内部发热，从而导致电解液分解、ESR增加，从而引起超级电容寿命缩短。为了保证超级电容的使用寿命，在应用在脉冲环境中时，最好要保证超级电容表面的温度上升不超过3℃。 比能量： 是指电容器在单位重量或单位体积下所给出的能量。（通常也叫：重量比能量、体积比能量、能量密度）单位：WH/KG、WH/L 超级电容器的能量与本身的容量与电压有关。其计算方式： E=CV2/2 (单位焦耳J)
如何使用超级电容器之使用注意事项
如何使用超级电容器之BIGCAP?使用注意事项 （1）超级电容器极性问题 与普通电解电容器或电池不同的是，由于超级电容器正负极采用的是同种材质，从理论上讲是不存在极性的；而超级电容器所标识的极性是生产商在生产工艺过程制定的，当电容使用中不小心短期反向使用，不会造成电容器实质性破坏，调整为正向可保证使用，但不可长期反向使用，会造成电容寿命特性迅速衰减。 （2）关于超级电容器充电问题 超级电容器充电需要采用不超过额定电压的直流电压，可采用限流、恒流、恒功率、恒电压等多种充电方式；超级电容器充电时可能会拉低充电电源电压，直到电容器充满维持电压平衡。 （3）超级电容器的内阻及容量问题 在充放电过程中，超级电容器的内阻引起的IR降，会损失电容器的充放电效率，故电容器内阻大小在一定程度上决定了电容器品质的优劣，而由于超级电容器的内阻要大于普通电容器，在交流电路或高频率充放电过程中，电容会发热，造成寿命迅速衰减，这也是超级电容一般只用于直流电路的原因。 与普通电容器相比，超级电容器具有较大的时间常数τ，所以充放电时间均较长，也正因为如此，不适合连续的大电流频繁工作，会引起发热性能迅速衰减。超级电容器的频率特性表现为高频率下，碳电极微孔中的正负离子响应时间较长，故表现的容量很小。不可采用普通测量电容器设备交流测量容量，而是要采用基于电池测量mAh方法进行测试。
（4）运输及储存 产品运输过程应防止产品受潮，储存温度应为-30℃~50℃、相对湿度小于60%，最大湿度不可超过85%，否则会导致电容受潮性能劣化或生锈。 （5）安装与焊接 超级电容器用于双面电路板上时，要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，否则会导致产品短路过压及电容器损坏。安装过程及安装后，不可强行扭动或倾斜电容器，不得用力拉拽引线，应先断针及折弯后焊接。在焊接过程中要避免使电容器过热（1.6mm的印刷线路板，焊接时应为260℃，时间不超过5s），焊接后，线路板和电容器要清洗于净 （6）超级电容器短路判断 短路电容应不能进行充放电，在电容正负极间施加直流电压，电容电压不升高，可判定短路，用万用表判定时，新电容在为充电时，以欧姆档测量（短路挡）指示为短路状态，是正常现象，不能确定电容即为短路，应观察阻值是否增加，如增加即为非短路。 （7）串联及并联使用问题 相同超级电容器串联使用时，总电压=串联个数×单体耐压；总容量=单体容量÷串联个数；总能量=串联个数×单体容量，总内阻=串联个数×单体内阻。 三个及以上串联存在单体间的电压均衡问题，需要考虑采用均衡电路，用于保证长期使用过程中电容不能过电压使用，从而引起电容器寿命衰减及损坏。不同规格超级电容器不可进行串联使用。 超级电容器进行并联使用时，可以不同容值的并联，采用相同电压充电，但要注意各个电容之间的电流平衡问题以及相互隔离，避免由于放电后电势差产生的相互反向充电。
超级电容充放电控制电路毕业设计
摘要： 超级电容是一种新型的储能元器件，它相比其它储能元器件有很多优势，比如比功率高、充电速度快、放电电流大、使用寿命长、不污染环境等。其具有很大的发展前景，但由于超级电容个体电压不高，在实际应用过程中就需要将多个超级电容器串并联起来使用。超级电容在充放电过程中，由于其参数存在离散型，即使是同一型号同一规格的超级电容器在其电压内阻、容量等参数上都存在一定的差异。这样容易导致某些超级电容器过充或者过放，影响超级电容的使用寿命和系统的稳定性。同时，超级电容器在充放电过程中，超级电容器电池组两端的电压会逐渐下降，尤其经过长时间大电流放电，电压下降明显，会直接影响负载的工作稳定性。因此研究超级电容充放电控制电路对提高超级电容的使用寿命和系统稳定性十分重要。本文主要对超级电容器电池组采取电压均衡和放电稳压就行设计研究。超级电容器的充放电控制电路有恒压、恒流等。放电稳压有稳压管稳压、三极管反馈稳压、集成芯片稳压等等方式。联系到将超级电容用作后备电源，针对实际应用列出了详细的设计步骤和研究方案。 关键词: 超级电容电压均衡放电稳压 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 课题研究背景 当今社会由于石油、煤炭等传统能源日益枯竭，并且这些燃料燃烧对生态环境已经造成了严重的污染。目前人们研究的层次还是局限于油、气混合动力燃料电池、化学电池的研究。虽然其研究成果取得了一定的成就但是他们的缺点也日益暴露出来比如：使用寿命短、温度特性差、充放电速度慢、放电电流小、对环境仍有一定的污染等。所以人们迫切希望能够找到一种绿色环保的储能装置代替传统的储能装置。而超级电容器是上个世纪80年代初出现的新产品，是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能器件。它有其功率高、充电速度快、储存能量大、放电电流大、使用寿命长、免维护等优点。随着便携式电气设备的普及，超级电容在电动汽车的研发、UPS电源、数码产品电源的发展获得了极大的
如何为超级电容器组的储能进行充电
如何为超级电容器组的储能进行充电 引言 超级电容器（supercapacitor，SC）也被称为超电容器（ultracapacitor）和双电层（electric double-layer）电容器，通常用在各种电源管理应用当中。在汽车应用中，如带有再生制动的启动-停止系统，SC能够提供重新启动内燃机时啮合（engage）起动器所需的能量，同时接受制动期间回收的动能。超级电容器有很多好处，因为它们被充电和放电的次数能够显著多于传统铅-酸电池，并且也能够更迅速地吸收能量，而不会降低其预期寿命。这些能力也使得SC对于工业备用电源系统、快速充电无绳电动工具和远程传感器具有很大的吸引力，为这些应用频繁更换电池是不切实际的。 本文介绍了与这些大电容充电相关的各种挑战，并告诉电源系统设计人员如何为后备储能评估和选择最佳的系统配置。它通过所提供的波形和详细解释，来对SC充电器解决方案进行解析。 系统阐述 在许多系统配置中都使用了超级电容组作为后备储能装置。要开始使用，设计人员需要聚焦其能量存储配置，然后再决定能量在什么电压上进行能量存储。解决方案的选择依赖于负载的功率和电压要求，以及SC 的能量和电压能力。一旦确定了最好的解决方案，必须做出整体性能与成本之间的权衡。 图1示出了一种高效率解决方案的原理框图，其中的负载是需要调节输入电压（3.3V、5V、12V等）的器件。48V主电源为正常运行中的开关稳压器2（SW2）供电，而同时通过开关稳压器1（SW1）以25V电压为SC组充电。当主电源断开时，则SC组为SW2供电，以保持负载在不中断的前提下运行。
图字：主电源开关稳压器1 无源或有源平衡无源或有源平衡无源或有源平衡超级电容器组 开关稳压器2 3.3V、5V、12V等负载 图1：使用超级电容器组的电池后备系统范例框图 系统设计与挑战 一旦选择了一种SC单元，系统设计人员就必须选择将每个SC单元被充电时的目标电压，这是基于SC的额定曲线来完成的。在室温条件下，大部分SC单元的额定值都是2.5V至3.3V——这个额定值处于较高的温度范围，并具有较长的预期寿命。通常，目标电压的设置应该低于最大额定电压，以延长SC工作寿命。 接下来，可以选择SC组和SW2拓扑电路所需的理想电压，SC组配置可以是并联、串联或并联的串联串组合。由于单元的额定电压通常在3.3V以下，而负载通常需要等于或高于电源电压，单元配置和SW2的选择将使用一种带升压转换器的单个单元模式，或者一种带降压或降压-升压稳压器的多个单元串联模式。如果要使用升压拓扑结构，我们必须确保随着SC放电，电压不降低到低于SW2的最低工作输入电压。这个高压可能高达SC的充电电压的一半，同时基于这个原因，我们还将分析一个针对SW1的SC组，它由SC和一个简单的降压稳压器串联组合而成。然后，如果为了满足能量要求的需要，应该并联放置多个串联串。 如果选择了SC串联组合模式，所使用的单元数目必须根据串的最高值的最大所需电压来选择。更多电容器的串联意味着SC串的电压更高、电容值更低。例如，可以考虑选择使用两串四个2.7V 10F的电容器，也可以选择一串八个（串联）同样的电容器。在可以存储相同总电荷和能量的同时，串的可用电压范围使单串联串更有优势。例如，如果有一个负载需要5V偏压，在考虑到其最大占空比和其他跌落（dropout）因素后，SW2所需的电压为6V左右。 电容器中的能量为W=CV2/2，而可以使用的能量为W= C/2（V charge2-V dicharge2）
超级电容充放电时间计算方法修订稿
超级电容充放电时间计 算方法 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
超级电容充放电时间计算方法 1法拉=1000000微法 1微法=1000000皮法 12V，10法拉的电容，对12V，的用电器放电应该在400秒时间内放完 电容没有功率，在电路中只要电压不超过耐压值27v就可以。 普通蓄电池如12V14安时的放电量=14×3600∕12=4200(F) 电流的大小和负载相关，电容放电，电压会降低的，具体可以参考电容的放电曲线。如果想有稳定的电压和电流可以在电容后增加DC-DC的稳压电路 一般应用在太阳能指示灯上时, LED 都釆用之闪烁妁发光, 例如釆用一颗 LED 且控制每秒闪烁放电持续时间为秒, 对超级电容充电电流 100mA 下面以 / 50F在太阳能交通指示灯为例, 超级电容充电时间如下: C X dv = I X t C: 电容器额定容量; V: 电容器工作电压 I: 电容器充电 t: 电容器充电时间 R: 电容器内阻 dv: 工作电压差 故 / 50F 超级电容充电时间为: t = ( C X V) / I = (50 X / = 1250S 超级电容放电时间为: C X dv - I X C X R = I X t 故 / 50F 超级电容从放到放电时间为: t = C X (dv / I - R) = 50 X [ ( - ] / - ] = 5332S 应用在 LED 工作时间为 5332 / = 106640S = hr C: 电容器额定容量 (F) R: 电容器内阻 (Ohm) V work: 正常工作电压 (V) V min : 停止工作电压 (V) t : 在电路中要求持续工作时间 (s) I : 负载电流 (A) 超级电容量的计算方式: )-VminC = (Vwork + Vmin)It / (Vwork 例: 如单片机应用系统中, 应用超级电容作为後备电源,在断电後需要用
法拉电容充电电路图汇总(七款模拟电路设计原理图详解)
法拉电容充电电路图汇总（七款模拟电路设计原理图详解） 超级电容具有功率密度高，充放电时间端，循环寿命长，工作温度范围宽等显著的优点，适合应用在大功率能量流动的场合。超级电容容值通常达到几千法拉，但是可耐受的电压低，在实际使用时必须大量串联使用。同时，超级电容自漏电速率大大超过锂电池等传统的化学储能元件，无法长期保存能量，这要求超级电容在初次使用，或者长期静置再次投入电气设备使用之前需要进行快速的初充电，使超级电容内部维持一定的能量。 法拉电容充电电路图（一）超级电容充放电电路限流电阻的大小主要取决于用户电源系统的功率；如果用户电源系统的功率比较大，那么限流电阻可以取小一点，如果电源功率比较小，那么电阻取大一些，同时注意电阻的功率，正常功率必须在1W以上。比如电源最大工作电流为1A，电压5V，那么限流电阻取5欧左右，功率为5W。此充电电路只限于内阻很小的超级电容，比如柱式超级电容，对于内阻比较大的超级电容，则无须限流电阻，比如扣式超级电容。放电二极管可以选取正向导通压降比较小的齐纳二极管，同时保证一定的功率。 本电路图是关于36VIN、5.6A、两节2.5V 串联超级电容器充电器电路连接图 LTM8026 是一款36VIN、5A 恒定电压、恒定电流（CVCC）降压型Module 稳压器。封装中内置了开关控制器、电源开关、电感器以及支持组件。LTM8026 可在一个6V 至36V 的输入电压范围内运作，可支持 1.2V 至24V 的输出电压范围。CVCC 操作使LTM8026 能在整个输出范围内准确地调节其高达5A 的输出电流。输出电流可利用一个控制电压、单个电阻器或一个热敏电阻来设定。仅需采用负责设定输出电压和频率的电阻器以及大容量的输入和输出滤波电容器便可实现完整的设计。 法拉电容充电电路图（三）LTR3741组成的5V，20A超级电容充电电路 在该应用中，于正常操作期间将两个串联超级电容器充电至5V，以在主电源出现故障时提供所需的后备电源。只要主电源接入，LTC3536 就将处于静态电流非常低的突发模式（Burst Mode）操作，从而最大限度地减少后备存储电容器的电量消耗。
超级电容充放电时间计算方法
超级电容充放电时间计算方法 1法拉=1000000微法 1微法=1000000皮法 12V，10法拉的电容，对12V，1.5A的用电器放电应该在400秒时间内放完 电容没有功率，在电路中只要电压不超过耐压值2?7v就可以。 普通蓄电池如12V14安时的放电量=14×3600∕12=4200(F) 电流的大小和负载相关，电容放电，电压会降低的，具体可以参考电容的放电曲线。如果想有稳定的电压和电流可以在电容后增加DC-DC的稳压电路 一般应用在太阳能指示灯上时, LED 都釆用之闪烁妁发光, 例如釆用一颗LED 且控制每秒闪烁放电持续时间为0.05 秒, 对超级电容充电电流100mA (0.1A) 下面以2.5V / 50F在太阳能交通指示灯为例, 超级电容充电时间如下: C X dv = I X t C: 电容器额定容量; V: 电容器工作电压 I: 电容器充电 t: 电容器充电时间 R: 电容器内阻 dv: 工作电压差 故2.5V / 50F 超级电容充电时间为: t = ( C X V) / I = (50 X 2.5) / 0.1 = 1250S 超级电容放电时间为: C X dv - I X C X R = I X t 故2.5V / 50F 超级电容从2.5V 放到0.9V 放电时间为: t = C X (dv / I - R) = 50 X [ ( 2.5 - 0.9) ] / 0.015 - 0.02 ] = 5332S 应用在LED 工作时间为5332 / 0.05 = 106640S = 29.62 hr C: 电容器额定容量(F) R: 电容器内阻(Ohm) V work: 正常工作电压(V) V min : 停止工作电压(V) t : 在电路中要求持续工作时间(s) I : 负载电流(A) 超级电容量的计算方式: )-Vmin C = (Vwork + Vmin)It / (Vwork 例: 如单片机应用系统中, 应用超级电容作为後备电源,在断电後需要用
超级电容充电电路开题报告
毕业设计（论文） 开题报告 题目超级电容的充电电路研究 专业 班级 学生 指导教师 2015 年
一、毕业设计(论文)课题来源、类型 1、课题来源：超级电容充电技术的科学研究 2、课题类型：实验仿真 二、选题的目的及意义 目的： 通过本课题的设计，了解超级电容充电的基本工作原理，特点及发展概况，掌握对超级电容充电的分析方法，手段。利用所学的专业知识分析掌握超级电容充电的基本工作原理和实际电路的组成部分，根据要实现的电动汽车的实际需求，设计电路的原理图和最初的电路图，并对所设计的电路的正确性和可行性进行仿真验证，结合验证结果对电路中的各项参数进行优化，以获得比较理想的实际工作电路。同时，培养学生独立发现问题、分析问题和解决问题的能力。 意义： 特斯拉掀起了电动汽车的高潮，不少人向往清洁时髦的新能源汽车要进入寻常百姓家，而混合动力电动汽车被认为是本世纪解决汽车面临的石油能源危机和环境污染问题的有效方案之一【1】。超级电容非常适合用于制动过程中能量回收，而且成本较低【2】。通过与传统蓄电池组成复合电源，在启动、加速等高功率下采用超级电容供电，可以延长蓄电池寿命【3】。另外电动车除了价格的可接受外，解决随时随地的充电问题是才是棘手。而建设电动车充电网络是一项庞大的事业，谁又能将充电变得像加油一样便捷？众所周知，电动车的能量源泉是蓄电池，电动车从蓄电池中吸取的平均功率较低，峰值功率却反而很大，又因为电动车的启动和停车相对汽车比较频繁，使得蓄电池的放电过程变化很大。与电池相比，超级电容可以弥补燃料电池的比
功率不足，提高电池的寿命，最大限度的回收制动能量等效果。因此超级电容的充电技术得到了人们的更广泛研究。 三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势 目前, 世界各国争相研究、并越来越多地将其应用到电动车上. 超级电容已经成为电动车电源发展的新趋势【4-9】，而超级电容的充电技术是被认为解决电动车动力问题的最佳途径。 日本是将超级电容应用于混合动力电动汽车的先驱, 超级电容是近年来日本电动车动力系统开发中的重要领域之一. 本田的 FCX燃料电池-超级电容混 合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车, 该车已于 2002 年在日本和美国的加州上市。日产公司于 2002 年 6 月 24 日生产了安装有柴油机、电动机和超级电容的并联混合动力卡车, 此外还推出了天然气-超级电容混合动客车, 该车的经济性是原来传统天然气汽车的 2.4倍. 目前, 装备超级电容的混合动力电动公交车已经成为日本的国家攻关项目。 瑞士的 PSI 研究所给一辆48 kW的燃料电池车安装了储能 360 Wh 的超级电容组, 超级电容承担了驱动系统在减速和起动时的全部瞬态功率, 以50kW的15s额定脉冲功率来协助燃料电池工作, 牵引电机额定连续功率为45kW,峰值功率为 75 kW, 采用 360 V 的直流电源。大众Bora 实验车进行的燃油消耗测试结果表明其油耗少于7L/100 km, 而相同质量的 BMW7 系列油耗则为10.7 L/100 km。1996 年俄罗斯的Eltran 公司研制出以超级电容作电源的电动汽车,采用300个电容串联,充电一次可行驶12 km, 时速为25 km/h。美国在超级电容混合动力汽车方面的研究也取得了一定进展, Maxwell 公司所开发的超级电容器在各种类型电动汽车上都得到了良好的应用。美国NASALewis 研究中心研制的混合动力客车采用超级电容作为主要的能量存储系统【10】。 目前, 国内对以超级电容作为惟一能源的电动汽车的研究取得了一定的进展,2004年7月我国首部电容蓄能变频驱动式无轨车在上海张江投入试运行, 该
超级电容器恒流充电分析
超级电容器恒流充电分析 【摘要】超级电容器充电电压基本呈线性变化：在充电初始阶段，超级电容器电压上升很快，中间变化相对平缓，之后上升幅度再次加快，在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动；充电电流越大，满充时间越短，验证了超级电容器大电流快速充电的特点。 【关键词】超级电容器；恒流充电 0.引论 超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等，尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。 1.等效串联电阻对充电过程影响分析 超级电容器单体的基本结构主要包括集电板、电极、电解质和隔离膜。其等效模型如图1所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。 图1 超级电容器的等效模型 限制超级电容器应用的主要因素是电容器的等效串联电阻ESR过大，限制了其大电流输出能力。双电层电容器ESR是反映其性能的一个重要指标。电容器的等效电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻的外在表现为：当电极充电到某一恒定电位足够长时间，电容开始放电时电极电位会有一个突降U。该现象影响超级电容器的有效储能量，并随充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。 由于超级电容器在恒电流充放电过程中，电流的大小或方向在充电过程结束和放电过程结束时发生改变，所以可以通过电流阶越方法测定电容器等效串联电阻。具体方法是精确记录改变电流大小及方向时电容器电压的改变，利用关系式ESR=U/I计算电容器的等效串联电阻。室温下，将额定容量为2700F的超级电容器单体的额定电压Umax=2.7V确定为工作电压上限，Umin=1.35V确定为工作电压下限，分别利用恒流I=20A，50A，100A对超级电容器进行充电测试。 图2 超级电容器恒流充电端电压变化 图2表示了充电过程中超级电容器电压的变化情况。超级电容器充电电压基