超级电容充放电控制电路毕业设计

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1、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

2、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

3、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IV4V，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

4、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

5、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

6、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

7、 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

8、。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3 页共23页第一章：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

9、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

10、。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IV,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

11、。b k? 2o o o o 0 oN无界加电海电压t扫外前电激电压图2-1超级电容充放电示意图2.2 影响超级电容容量的因素造成超级电容器单体电压不均衡的因素主要有以下三个：1电容量的差异超级电容器的电压u、电流i电量Q以及容量W满足以下关系式：du(2-1)(2-2)(2-3)i = c x -dtQ =ixdt = cxdu1W = x c x u 22从公式（2-1）可看出，如果电容单体之间的电容值存在差异，在恒定电流 充电的条件下，电压的变化率是不同的，由公式（2-3）也可以看出，电容值越 小的电容电压上升的速度越快。而电容的容量与电压的平方成正比，所以电容值 的差异会导致充电过程中

12、各单体电容容量不一样。2等效串联阻抗（ESR）超级电容器的等效串联阻抗（ESR）是表征超级电容器性能的一个重要参数。超级电容器的ESR比传统电容器要大，而且反复利用其值会逐渐增大，这会导致 单体电容器间的ESR差异越来越明显，故在充放电时，ESR大的电容将先于ESR 小的达到充放电结束，导致ESR小的电容充放电不充分。3漏电流漏电流是表征超级电容器电荷保持能力的一项重要参数，漏电流大的超级电 容器在静置一段时间后其保持的电荷量要明显低于漏电流小的电容器。故在放电 过程中，漏电流大的电容率先放点结束，而漏电流小的电容器则剩余了更多的电 荷，放电过程比较缓慢。但是在充电过程中，漏电流小的电容器会首

13、先充满电。通过以上分析可知，超级电容器单体存在某些参数上的差异，由于这些差异 的存在会使超级电容在充放电过程中电压不均衡，如果超级电容器长时间在这种 环境下工作，会大大的缩短其使用寿命。因为电解液的挥发速度与超级电容的工 作电压有关，工作电压越高，就会导致的更多的电解液参与反应，由此电解液的 分解速度也加快，过快的反应会导致超级电容的等效阻抗和自放电率加大，电容 容量下降，电容整体工作性能会下降，由此造成一系列恶性循环，所以对于串并 联的超级电容器充放电电路来说，电压不均衡会严重限制超级电容防的应用，所 以研究超级电容电压均衡方法很有必要。2.3 超级电容器稳压均衡方案前面提过，串联超级电容器

14、组在充放电过程中存在电压不均衡的问题。常见 的电压均衡方法主要可以归为能耗型和回馈型两大类。稳压管均衡法和开关电阻 法属于能耗型电压均衡方法，而DCDC变换器法、变压器法、飞度电容法属于回 馈型电压均衡法。能耗型电压均衡方法的基本原理是将电压较高的单体电容部分以热量或者 其他形式能量消耗掉，从而降低其充电速率。这种方法具有电路简单、易于控制、 成本低等优点；缺点是元器件发热量大、能量损耗严重，均衡效率低。这种方法 适用于充电功率小的场合使用。回馈型电压均衡方法能够很好地解决能耗型均衡法费能量的缺点，其基本核 心是通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈赠回送电容器组或组中某些电压 较低的单体，从而

15、在不消耗能量的前提下实现了电压的动态平衡。由于不消耗能 量，此种方法不存在发热的问题，且均衡速度快、均衡效率高，但同样具有电路 控制复杂、成本较高等因素限制。2.4 超级电容器充放电特性分析2.4.1 电压特性分析超级电容使用寿命长，理论上可以无限次充放电，其存储的电荷和能量可以 通过检测电压值的方式近似确定，判断超级电容是否充满非常方便，所以超级电 容器的充电控制可借鉴传统蓄电池的充电方式，也可通过大脉冲电流对其进行快 速充电，目前对超级电容最常用的充放电方式为恒流充电。2.4.2 超级电容器恒流充电特性分析等效电路模型超级电容的储能原理基于多孔材料“电极/溶液”界面的双电层结构，从阻 抗角

16、度分析，参考 S.A.Hashmi 等人的模拟电路，等效电路为一般的 RC 电路。 超级电容器的等效模型如图2-2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。Lfv-图 2-2 超级电容器的等效模型2.4.3 等效串联电阻对充电过程影响分析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