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

应用。

1.1.2 课题研究意义

超级电容器的单体电压不高，一般只有1V—4V，在实际的应用中通常根据需要将超级电容器串并联起来使用。由于超级电容的离散性，即使是同一规格同一批次生产的超级电容器在其电压、内阻、容量等参数上都存在着差异性，这是由制造过程中工艺和材质不均和机械误差造成的。而在使用中需要采用串并联的方式提高整体的输出电压和输出电流，由于这种差异性的存在如果直接给超级电容进行充电或者放电很容易造成超级电容的过充或者过放，进而缩短超级电容器的使用寿命，并且影响系统的稳定性。所以研究超级电容的充放电控制电路对于推动超级电容的发展将起到很大的作用。同样超级电容器的放电特性与普通电容器一样，随着放电时间的延长，其输出电压是随指数函数下降的，虽然超级电容的容量很大，电压压降幅度小，但微小的电压波动也会影响到整个系统的稳定性。所以超级电容在放电时也要有稳压升压电路系统。

本次课题设计主要研究以上两个方面及超级电容的充放电控制电路。

1.2 超级电容介绍

1.2.1 超级电容优点

1.高功率应用

超级电容的串联内阻非常低，因此可以应对在需要较大电流放电的环境。这是其他电池不具备的优势。

2.超级电容的适用电压范围广

目前的电池多数都是在很窄的电压范围内工作。超出了电池的工作电压就不能够正常使用。而超级电容的工作电压比较宽，可以面对更多的场合。

3.超级电容绿色环保，不发生化学反应，对环境不会造成污染。

4. 超级电容寿命长

超级电容的电能存储为纯粹的物理变化，因此在电容的使用中，不存在物质的转换，保证了电容的长期使用可靠性，超级电容提供长达10万-50万次的使用寿命。

5. 超级电容维护和保养方便

因超级电容可以低电压使用，所以可以将超级电容器放电至零伏，在存储中可以无电操作，大大降低了超级电容的维护和保养成本。在带电使用过程中，只要保证在额定电压下工作，级别不需要做维护保养。

6. 超级电容适用温度范围宽

超级电容有很好的温度适用性，可以在较低的温度正常使用。乃至在-40度的情况下仍可正常使用，解决了多数电池在低温情况下失效的问题。

1.2.2 超级电容的发展现状

21世纪，随着全球气候变暖，资源短缺，全世界很多国家都在开发新的绿色环保能源，而超级电容生产所用的材料普遍是绿色环保的。因此超级电容作为一种新型的环保储能元器件正在被越来越多的国家所研究和生产。

超级电容器从诞生到现在，已经历了三十多年的发展历程。目前，微型超级电容器在小型机械设备上得到广泛应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间歇性用电的辅助设施。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，并可预见在该两大领域的未来市场上，超级电容器有着巨大的发展潜力。

国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。他们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目。美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超级电容器的研究中，许多工作都是开发在各种电解液中又叫高比能量的电极材料。目前应用超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料三种。近几年来，由于看好超级电容的大好发展前景，中国一些公司也试探进入这一领域，并且已经具备了一定的技术研发实力。

1.2.3 造成超级电容不均压的影响因素

在对串联超级电容电池组进行充电的过程中，由于各单体电容器之间存在的差异，会导致各电容充电速率不同，使得单体电容两端电压不均衡，最终导致电容过充过放，影响超级电容的寿命和电路的稳定性。

1.3 论文内容安排

第一章：绪论部分，主要介绍了超级电容器的研究背景、课题研究意义，国内外超级电容的研究现状，影响超级电容的因素。

第二章：主要介绍了关于超级电容的相关知识，如超级电容的储能原理、特性参数、超级电容的优点，超级电容器的电压均衡的必要性。

第三章：主要研究了超级电容的电压均衡方案，并通过分析比较，选择适合本课题实际应用的电压均衡方法。

第四章：介绍了集中常用的输出电压稳压方法、稳压芯片介绍、结合本课题实际应用选择最佳的稳压电路。

第五章：超级电容器作为后备电源在路由器上的应用。

第六章：对超级电容器的充放电控制电路做个简要的总结。

2 超级电容器充放电控制原理

2.1超级电容器储能原理

超级电容主要由电极、电解液、集电极、隔离膜、连线极柱、密封材料和排气阀组成，电极的材料、制造技术，电解质的组成和隔离膜质量对超级电容器的性能有较大影响。电解质的分解电压决定电容器的工作电压，而工作电压决定电容器的能量与输出功率，一般水溶液电解液分解电压约为1V，有机电解液约为3V；电极和电解液的材料通常决定着超级电容器的工作原理。

超级电容按储能机理主要分为三类（1）由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容；（2）采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容；（3）由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。由于双电层电容充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，但其所储的能量较小，在混和动力车辆的大容量需求下，通常将双电层电容和法拉第电容结合，制成不对称电极的混和超级电容。