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。
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：
dt du
c i ?= (2-1)
du c dt i Q ?=?= (2-2)
22
1u c W ??= (2-3) 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。
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2-3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。具体分析超级电容器端电压波动原因，端电压变化幅度ΔU(ΔU1<ΔU2<ΔU3)主要受充电电流和等效串联电阻的影响，这两个因素的作用使超级电容器的有效储能量发生变化，且随着充电电流的增加，电容器有效端电压范围缩短，导致有效储能量降低。
图2-3 超级电容器恒流充电端电压变化
2.5 容量特性分析
根据电容原理有
dt dV C I c = (2-4)
式中：I —电流；C —电容；dVc —因电容放电引起的电压变化量；dt —放电时间变化量。
dVc=Idt/C （2-5）
等效串联电阻部分引起的电压降：
()ES R V =ES g R I (2-6)
超级电容器端电压总变化dV 为： +=C dt I dV ES g R I (2-7)
变换可得所需超级电容器的容量C ：
ES g R I dV Igdt
C -= (2-8)
对于多孔碳材料做极化电极的超级电容器，其存储电荷的电容C 与碳材料的表面性质紧密相关，其中多孔碳电极的比表面积和微观孔径尺寸分布是影响超级电容器双电层容量的重要因素。
试验中，分别利用电流为10A 、20A 、30A 、50A 、70A 、90A 、100A 对同一超级电容器进行恒流充电，并测量电容器的电容，结果如图2-4所示。
图2-4 超级电容器恒流充电容量变化
在动态工作情况下，用线性函数拟合来预测超级电容器在任意工作电流水平点对应的超级电容器静电容量C值。利用Matlab对获取的电容值进行3阶拟合，对应函数为f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如图2-4所示，超级电容器的容量随充电电流的增加而下降。结合超级电容器的内部构成分析，超级电容器的转换效率和有效容量，受其有效内阻和充放电电流的影响，要使其贮能量最大化，就要使容量最大化，即要求电极表面积最大化和双电层厚度的最小化。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反应的比表面积和微孔传输反应粒子、离子电荷的速度，并因充电电流增大，碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量降低。
2.6超级电容器的放电特性
超级电容器的放电过程是充电的逆过程，其放电特性和传统电容器输出特性相似，当外接负载时，电压的变化是呈指数下降的。由于负载等效电阻通常小于超级电容器内部并联等效电阻REP，所以在分析超级电容器放电过程时可以忽略REP的作用，将其等效为理想电容器cf和串联等效阻抗Res串联的电路模型。
图2-5 超级电容器放电电路等效模型
放电过程中，超级电容器两端电压()t U 和放电电流()t I 的关系为
()U t U =c ()-t ()t I s Re ? （2-9）
从公式可以看出，超级电容器两端电压值的变化与理想电容两端电压以及放电电流密切相关。
小电流放电时，Res 上的电压压降可以忽略，此时超级电容器可以等效为理想电容器，能够按照理想电容器的相关公式进行储能分析。
当大电流放电时，Res 上压降较大，如果检测到负极电压()t U 在达到规定的下限时，超级电容器将会停止运作，由公式可知，此时理想电容器两端电压()t Uc 仍然停留在一个较大值，即超级电容器储存的能量并没有完全释放出来，可见串联等效电阻Res 的存在影响了超级电容器的功率输出，降低了超级电容器的有效储能。所以大电流放电时，Res 的能耗不能忽略。
在超级电容器放电过程中，不可避免的会造成端电压的下降，为了满足负载需求及提高储能利用率，通常需要为超级电容器配置电力电子变换器，通过调节功率变换器使超级电容器处于恒流放电、恒压放电获恒功率放电等运行模式，其中恒压放电是实际应用中最常使用的方式。
3 超级电容器电压均衡研究
3.1 电压均衡方案
电压均衡在超级电容器的实际应用中有着很重要的作用，同时电压均衡方案的选取也直接关系到超级电容器组能否正常高效的工作。超级电容器电压均衡方法有许多种方式，主要分为能耗型和回馈型两大类也各有其各自的优缺点。本课题通过对比分析选择出比较使用的电压均衡方案。
3.1.1 稳压管电压均衡法
稳压管的基本工作原理是每个超级电容器都并联一个稳压管，当电容器的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电容器的电压不再上升。该方法的优点是电路结构简单，成本低；但是其充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，造成能量浪费。
图3-1稳压管稳压法示意图
图 3-2 稳压管稳压法仿真电路
3.1.2 开关电阻均衡法
图3-3开关电阻均衡法
每个超级电容器与一个电阻和开关串联组成的支路并联，当电容器的工作电压达到额定值时，开关闭和，充电电流就会从电阻和开关上旁路，不再给电容器充电。该方法控制灵活，可根据充电电流的大小来设定旁路电阻；但是此方法会导致能量耗费，电阻发热量大。
3.2 回馈型电压均衡方案
3.2.1 DCDC变换器法
DCDC变化器法，在每两个相邻超级电容器之间都串联一个Buck/Boost变换器，比较相邻电容器之间的电压，使能量在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器中能量通过变换器转移到电压低的超级电容器中。对于N个电容器组成的串联电容器组，需要N-1个Buck/Boos变换器。这种方法的优点是能量损耗低，电压均衡速度快，在充放电过程中都可以进行电压均衡。但其需要的功率器件多，成本也比较高。
图3-4 DCDC变换器法
3.2.2 开关电容法
多电容器电压均衡法是利用多个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的一部分能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。它利用一组电容器在串联电容组相邻之间传递电荷，进行能量转移。
单电容均压方法是利用一个超级电容很小的普通电容器作为中间储能单元，即“飞渡”电容器，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。通过控制开关网络的开通和关断，定时扫描各个电容电压，将“飞渡”电容器连接到电压最低的电池两端，等效地增加或减小点吃的充放电电流，实现动态平衡。
图3-5电容均衡法电路图
图3-6 多电容均衡法电路图
表3-1各种电压均衡方案的比较
3.3 各种方案的比较
通过上述几种方案的介绍和比较，我们能看出，稳压管法和开关电阻法虽然具有电路简单、控制方便，节约成本等特点，但其发热耗费严重，DCDC能量变换法解决了能量的消耗和发热问题，而且能够承受大电流充电，缩短了充电时间、提高了充电效率，但是、它据哟普控制过程复杂、成本高等缺点。飞渡电容均衡法无能量损耗和发热问题，均衡效率高，成本较低，但用到开关器件多，系统体积庞大，系统检测较为复杂。
4 超级电容放电稳压研究
4.1 超级电容器放电等效模型
超级电容器的放电特性与普通电容器相似，电压变化随时间是呈指数形式变化的。超级电容的容量很大，在放出相同电量Q的情况下，超级电容器的电压降落率du比普通电容器的压降要小得多，但是如果长时间大电流放电，电压下降还是非常明显的。
在实际应用中，常见的稳压方案有很多种，包括稳压管稳压电路、三极管稳压电路、DCDC变换器稳压电路、集成芯片稳压电路等。
图4-1超级电容器放电模型
4．2 集成稳压电路
4.2.1 稳压芯片介绍
集成稳压电路是采用集成芯片来使输出电压稳定的，这种稳压方法具有高度的集成性，而且体积小，控制方便，。常见的稳压芯片主要有三端稳压78LXX、MC34063等。
三端式稳压器是一种应用非常广泛的集成稳压器件，其内部结构类似于串联反馈式稳压电路。三端固定式集成稳压器是将取样电阻、补偿电阻、保护电路、大功率调整管都集成在一个芯片上，整个芯片只有输入输出和公共端三个引脚，使用非常方便，因此获得广泛应用，它的缺点是输出电压固定，所以必须生产各种输出电压、电流规格的系列产品。7800系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，7900系列集成稳压器是常用的固定负输出电压的集成稳压
器。
4.2.2 MC34063集成稳压
是一单片双极型线性集成电路，专用于直流----直流变换器控制部分。该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S 触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。
4.2.3 MC34063主要特性参数
MC34063主要特性参数和引脚介绍如表4-1和4-2所示。
表4-1MC34063主要参数
表4-2MC34063引脚介绍
MC34063的稳压原理和串联反馈式稳压电路类似，通过采样电阻采集输出电压，然后通过内部比较器、振荡器和RS 触发器来完成电压反馈，最终达到文雅
的目的。正激励型DCDC 变换器的输出电压计算公式为：
o V =REF V (1+4
3R R ) （4-1)
图4-2 MC34063稳压应用电路
电路原理如图4-2所示，该电路是在MC34063典型的降压电路上，用开关变压器取代自感线圈实现的。利用开关变压器以获取隔离直流电源的能量供给。开关变压器经过C1滤波，L1的高频遏制稳压器的稳压，便可获得稳定的直流输出。在确定的硬件系统中，用于向数字系统供电的VCC 电源负荷是稳定的，通过开关变压器的交变方波的占空比也是稳定的。
5 超级电容器作为后备电源在路由器上的应用
超级电容在路由器上作为后备电源的意义，当常用供电电源意外断开后，路由器就会停止工作，如果此时正在操作电脑，会使电脑里一些数据丢失。所以如果超级电容能够作为后备电源，那么当常用电源断开后，超级电容器会作为电源向路由器供电，便于人们及时的保存数据。
超级电容作为后备电源已在多个领域有所应用，现在本课题研究的就是超级电容在路由器上的应用。现举市场上常见路由器为例:路由器的工作电压9V ，工作电流0.6A.此次研究的超级电容器希望在供电电源断开后，超级电容作为后备电源能够提供稳定的电压工超级电容工作至少30S 以上。
5.1 电压均衡方案的确定
本课题研究的主要对象是将超级电容器作为后备电源应用到路油器中，断电
后给路由器充电，使用能够继续工作一段时间，给人们保留保存数据的时间。这就需要超级电容器能够提供足量的稳定的输入电压，这对电压均衡方案有一定的结构和体积限制，由于本身路由器的体积就很小，所以我们希望电压均衡电路能够尽可能的简单，控制简单，易于实现。
在此课题中路由器的后备电源模块采用4支2.7V/100F,比普通的超级电容器的容量要大很多，超级电容器的容量越大，充电时间也就越长，所以希望超级电容器能够快速充满，以防止紧急停电。
结合了实际的情况，通过分析对比，我们采用了DCDC 变换器法。
5.2稳压方案的确定
上面的电压均衡方案就已经说过，选择何种控制电路，都得需要跟实际的课题应用相结合，进而选择出一种最佳的超级电容充放电控制电路。首先超级电容器的单体电压比较小，我们需要将其串并联起来使用，在充电过程中电压能够保持平衡，避免单体的过充过放。在前面我们已经讨论过，超级电容器的放电特性和普通电容器类似，随着放电时间的延长，超级电容器的端电压也会下降，所以在放电过程中，就要求用到稳压芯片对其进行稳压，使用能够保证系统稳定高效工作。
本课题采用的超级电容器参数为4支2.7V/100F,串联后电压达到10.8V ，高于路由器的额定电压9V 。考虑到集成度和易用控制实现等因素。我们选取MC34063作为放电稳压芯片。由公式（4-1） o V =REF V (1+4
3R R ) 可知V V REF 25.1 当R3取30K ，R4取4.7K 输出o V ≈9.2符合路由器的输入电压9V 。能够保证路由
器的正常工作。
最后根据数据处理和理论分析，此次的设计方案能符合课题的要求。
实验报告 专业：实验日期： 2016.5.16 班级：授课教师: 学号：指导教师： 姓名：成绩评定： 实验2 电容与电感的充放电实验 一、实验目的 1．熟悉电感与电容的充放电过程，掌握充放电过程中电流、电压的计算公式； 2．明确时间常数τ对电感与电容充放电时间的影响； 3．掌握信号发生器与示波器的使用方法； 4．学习分析充放电过程中电压、电流波形的变化规律，比较当τ改变时对波形的影响。 二、实验电路 将一个0.22μF 的电容器、一个4.7kΩ的电阻与函数发生器按图1（a）实验电 路联接。设定函数发生器，使其输出6V/100Hz，占空比为50%的方波。输出6V时模 拟电容器充电; 输出OV时，模拟电容器放电。联接示波器，接通函数发生器的电源 开关，用A通道观察方波，用B通道观察电容器上的电压。 U=6V f=100Hz 方波 A 示波器 Y1 Y2 图1（a） 将一个100mH的电感与一个1 kΩ的电阻串联，然后联接到电压为6V 、频率为1 kHz 的方波上，如图1（b）所示。用示波器观察电感上电压的变化规律。
. U=6V f=1KHz 方波 A B C 示波器 Y1 Y2 图1（b） 三、实验设备 1．Multisim电路仿真软件（机房上机运行）； 2．函数发生器、电阻、电容、电感； 3．示波器。 四、电路联接 通过实验1的学习在掌握Multisim电路仿真软件放置电源、电阻、开关等原件，以及连线的基础上，学习函数发生器、示波器的使用方法。 1.函数发生器 函数发生器位于仿真菜单下的仪器选项中，可以产生不同频率、占空比、振幅、以及偏置的正弦波、三角波、方波。 2.示波器 示波器的位置与函数发生器相同。利用示波器能观察各种 不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种 不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 五、仿真测试 1.电容的充放电实验 按照图1（a）在Multisim电路仿真软件中连接电路，并进行仿真。 将上述电路中的4.7kΩ固定电阻换成10kΩ的电阻，观察充放电曲线的变化。 实验结论： 将电阻值固定为4.7kΩ，将电容器换成10μF，观察充放电曲线的变化。
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。
电容的充放电过程及其应用 一、实验目的 1．观察RC 电路的矩形脉冲响应。 2．了解RC 微分电路、积分电路及耦合电路的作用及特点。 3．学习双踪示波器的使用方法。 二、实验原理 1． RC 串联电路的充放电过程 在由电阻R 及电容C 组成的直流串联电路中，暂态过程即是电容器的充放电过程（图1），当开关K 打向位置1时，电源对电容器C 充电，直到其两端电压等于电源E 。这个暂态变化的具体数学描述为q ＝CUc ，而I = dq / dt ，故 dt dUc C dt dq i == （1） E iR Uc =+ （2） 将式(1)代人式(2)，得 E RC Uc RC dt dUc 11=+ 考虑到初始条件t=0时，u C =0，得到方程的解： []()() ?? ?? ?? ?-=-=-==RC t E U E U RC t R E i RC t E U C R /exp /exp ）/-（exp -1C 上式表示电容器两端的充电电压是按指数增长的一条曲线，稳态时电容两端的电压等于电 源电压E ，如图2(a) 所示。式中RC=具有时间量纲，称为电路的时间常数，是表征暂态过程进 行得快慢的一个重要的物理量，由电压u 上升到，1/e ≈，所对应的时间即为。 当把开关k 1打向位置2时，电容C 通过电阻R 放电，放电过程的数学描述为 图2 RC 电路的充放电曲线 （a ）电容器充电过程 （b ）电容器放电过程 U R Uc K 1 2 V E R C 图1 RC 串联电路
将dt dUc C i =，代人上式得01 =+Uc RC dt dUc 由初始条件t ＝0时，Uc ＝E ，解方程得 ? ??? ?--=--=-=) /exp()/exp() /exp(RC t E U RC t R E i RC t E Uc R 表示电容器两端的放电电压按指数律衰减到零，也可由此曲线衰减到所对应的时间 来确定。充放电曲线如图2所示。 2. 半衰期T 1/2 与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值，称为半衰期T 1/2，即当U C （t ）下降到初值（或上升至终值）一半时所需要的时间，它同样反映了暂态过程的快慢程度，与t 的关系为：T 1/2 =τln2 = τ（或τ= 2） 3. RC 电路的矩形脉冲响应。 若将矩形脉冲序列信号加在电压初值为零的RC 串联电路上，电路的瞬变过程就周期性地发生了。显然，RC 电路的脉冲响应就是连续的电容充放电过程。如图3所示。 图3 RC 电路及各元件上电压的变化规律 若矩形脉冲的幅度为U ，脉宽为t p 。电容上的电压可表示为： ?? ??? ≤≤?≤≤-=- -211 0)1()(t t t e U t t e U t u t t c τ τ ) (t u i )(t u R ) (t C R C ) (t u i (t u R (t u C u u u -t t t 1t 2 t 2t p t 1t 1 t 3 t 2t 3 t 3 t
超级电容器原理及电特性 Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor 辽宁工学院陈永真孟丽囡宁武 Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology 摘要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。 关键词：超级电容器 ESR 放电电流 Abstract:Basic structure & principle of ultra-capacitor are described in this paper. The characteristics about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some attentions are also put forward. Key words: ultra-capacitor ESR Discharging current 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。 1. 级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界 面的表面面积。 由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸 附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一 特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更 少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。 这种超级电容器有几点比电池好的特色。 图1超级电容器结构框图 1.2 工作原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。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响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 2.3 主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：
观察电容器的充、放电现象 基础打磨 1.(2019年江西10月联考)如图所示,关于平行板电容器的充、放电,下列说法正确的是()。 A.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带正电 B.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带负电 C.开关接2时,平行板电容器放电,且上极板带正电 D.开关接2时,平行板电容器放电,且上极板带负电 2.(2019年海南11月月考)下列电容器相关知识描述正确的是()。 A.图1为电容器充电示意图,充完电后电容器上极板带正电,两极板间的电压U等于电源的电动势E B.图2为电容器放电示意图,若电容器上极板带电荷量为+Q,则放电过程中通过电流表的电流方向从右向左,流过的总电荷量为2Q C.图3为电解电容器的实物图和符号,图4为可变电容器及其符号,两种电容使用时都严格区分正负极 D.图5中的电容器上有“5.5 V1.0 F”字样,说明该电容器只有两端加上5.5 V的电压时电容才为1.0 F 3.(2019年安徽模拟)(多选)电流传感器可以像电流表一样测量电流,可以捕捉到瞬间的电流变化,相当于一个理想电流表。用如图1所示的电路来研究电容器的放电过程。实验时将开关S拨到1端,用直流电压为8 V的电源给电容器充电,待电路稳定后,将电流传感器打开,再将开关S拨到2端,电容器通过电阻R放电。以S拨到2端时为t=0时刻,电流传感器测得的电流I随时间t的变化图象如图2所示,根据题意,下列说法正确的是()。 A.由I-t图象可知,电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.2×10-3 C
B.由I-t图象可知,电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.2 C C.此电容器的电容约为4.0×10-4 F D.此电容器的电容约为0.4 F 能力提高 4.(2019年河北10月联考)用下列器材测量电容器的电容:一块多用电表,一台直流稳压电源,一个待测电容器(额定电压16 V),定值电阻R1=100 Ω,定值电阻R2=150 Ω,电流传感器、数据采集器和计算机,单刀双掷开关S,导线若干。实验过程如下: 实验次数实验步骤 第1次①将电阻R1等器材按照图1正确连接电路,将开关S与1端连接,电源向电容器充电 ②将开关S掷向2端,测得电流随时间变化的i-t曲线如图2中的实线a所示 第2次③用电阻R2替换R1,重复上述实验步骤①②,测得电流随时间变化的i-t曲线如图3中的某条虚线所示 说明:两次实验中电源输出的直流电压恒定且相同 请完成下列问题: (1)第1次实验中,电阻R1两端的最大电压U= V。利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围的面积为90 mA·s,已知电容器放电时其内阻可以忽略不计,则电容器的电容C= F(结果均保留2位有效数字)。 (2)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图3中的虚线(选填“b”“c”或“d”),判断依据 是。 思维拓展 5.(原创)如图是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q,从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下: ①按电路图接好实验电路; ②接通开关S,调节电阻箱R的阻值,使微安表的指针接近满刻度。记下这时的电压表读数U0=6.2 V和微安表读数I0=490 μA; ③断开开关S并同时开始计时,每隔5 s或10 s读一次微安表的读数i,将读数记录在预先设计的表格中; ④根据表格中的12组数据,以t为横坐标,i为纵坐标,在坐标纸上描点(图中用“×”表示)。
10.备用电源系统测试 10.1测试工具及仪器 （1）数字万用表FLUKE 289 1台； （2）数字示波器Tektronix DPO3034 1台（含电流卡钳A622，高压隔离探头P5210）；（3）数字兆欧表HIOKI 345 1台，VC60D 1台； （4）功率分析仪YOKOGAWA WT1600 1台； （5）耐压测试仪 TOS5101 1台； （6）输出可调超级电容充电机 BN-CDJ350V 1台； （7） 24V直流电源一台； （8）变桨距系统控制柜轴一柜； （9）变桨试验台SY_BJ_T_V3.1 1台； （10）调压器9KV A 1台； （11）PRODIGIT 3257电子负载； （12）滑动变阻器 BX8-27-2.5A 2台； 10.2.超级电容单体性能测试 10.2.1单体容量测试 ★测试方法： 采用恒流放电法测90V超级电容模块的总容量，由于90V超级电容模块含36个超级电容单体，将总容量乘以36即可得到超级电容单体的容量。 测试电路如图10.1所示。
图10.1. 容量测试电路图 放电电流I1及放电电压下降的电压U1和U2见下表。分级方法应根据分立标准。 ★测试步骤： （1）如图10.1进行接线，设定充电机充电电压为150V，闭合F1； （2）断开F3，闭合F2，对超级电容模块C充电。C达到额定电压后，保持充电机输出30min，以I2=1A电流充电，每15s记录一次150V超级电容模块端电压；以I2’=2A电流充电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压； （3）将示波器电压探头接C的正负极端，将电子负载设置为恒流模式，电流值设置为I1=4A放电。断开F2并闭合F3对超级电容进行放电，每30s记录一次150V超级电容模块端电压。 （4）记录C的正负极之间电压U随时间的变化曲线（如图10.2示意）；
超级电容器从储能机理上面分的话，超级电容器分为双电层电容器和赝电容器。是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。 超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor）， 原理 又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。 它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离要小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。 双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
实验报告 专业: 实验日期: 2016、5、16 班级: 授课教师: 学号: 指导教师: 姓名: 成绩评定: 实验2 电容与电感的充放电实验 一、实验目的 1.熟悉电感与电容的充放电过程,掌握充放电过程中电流、电压的计算公式; 2.明确时间常数τ对电感与电容充放电时间的影响; 3.掌握信号发生器与示波器的使用方法; 4.学习分析充放电过程中电压、电流波形的变化规律,比较当τ改变时对波形的影 响。 二、实验电路 将一个0、22μF 的电容器、一个4、7kΩ的电阻与函数发生器按图1(a)实验电 路联接。设定函数发生器,使其输出6V/100Hz,占空比为50%的方波。输出6V时模拟 电容器充电; 输出OV时,模拟电容器放电。联接示波器,接通函数发生器的电源开关, 用A通道观察方波,用B通道观察电容器上的电压。 U=6V f=100Hz 方波 A 示波器 Y1 Y2 图1(a) 将一个100mH的电感与一个1 kΩ的电阻串联,然后联接到电压为6V 、频率为1 kHz 的方波上,如图1(b)所示。用示波器观察电感上电压的变化规律。
、U=6V f=1KHz 方波 A B C 示波器 Y 1 Y2 图1(b) 三、实验设备 1.Multisim电路仿真软件(机房上机运行); 2.函数发生器、电阻、电容、电感; 3.示波器。 四、电路联接 通过实验1的学习在掌握Multisim电路仿真软件放置电源、电阻、开关等原件, 以及连线的基础上,学习函数发生器、示波器的使用方法。 1、函数发生器 函数发生器位于仿真菜单下的仪器选项中,可以产生不同频率、占空比、振幅、 以及偏置的正弦波、三角波、方波。 2、示波器 示波器的位置与函数发生器相同。利用示波器能观察各种 不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种 不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 五、仿真测试 1、电容的充放电实验 按照图1(a)在Multisim电路仿真软件中连接电路,并进行仿真。 将上述电路中的4、7kΩ固定电阻换成10kΩ的电阻,观察充放电曲线的变化。 实验结论: 将电阻值固定为4、7kΩ, 将电容器换成10μF,观察充放电曲线的变化。
实验报告 题目C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂 学号20104016005 所在学院化学与环境学院 年级专业新能源材料与器件创新班 指导教师舒东老师 完成时间2012 年 4 月
1.【实验目的】 1. 了解超级电容器的原理； 2. 了解超级电容器的比电容的测试原理及方法； 3. 了解超级电容器双电层储能机理的特点； 4. 掌握超级电容器电极材料的制备方法； 5. 掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。 2. 【实验原理】 超级电容器的原理 超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。 图1 超级电容器的结构图 从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。 (1) 双电层超级电容器的工作原理 双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层;撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的
RC电路充电时间计算 简单RC电路充电时间的计算方法。时间常数为tao=RC，一般三个tao就能完全充满电
V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)] 求充电到90%VCC的时间。（V0=0，V1=VCC，Vt=0.9VCC）
代入上式：0.9VCC=0+VCC*[[1-exp(-t/RC)] 既[[1-exp(-t/RC)]=0.9； exp(-t/RC）=0.1 - t/RC=ln(0.1) t/RC=ln(10) ln10约等于2.3 也就是t=2.3RC。 带入R=10k C=10uf得。 t=2.3*10k*10uf=230ms RC回路充放电时间的推导过程需要用高等数学，简单的方法只要记住RC回路的时间常数τ=R×C，在充电时，每过一个τ的时间，
电容器上电压就上升（1-1/e）约等于0.632倍的电源电压与电容器电压之差；放电时相反。 如C=10μF，R=10k，则τ=10e-6×10e3=0.1s 在初始状态Uc=0时，接通电源，则过0.1s（1τ）时，电容器上电压Uc为0+（1-0）×0.63 2=0.632倍电源电压U，到0.2s（2τ）时，Uc为0.632+（1-0.632）×0.632=0.865倍U……以此类推，直到t=∞时，Uc=U。放电时同样运用，只是初始状态不同，初始状态Uc=U。 单片机复位(上电复位和按键复位，复位脉宽10ms，R常取值10k~47k，c取值10~100uf，电容大些为好)： 原理：如果复位是高电平复位，加电后电容充电电流逐渐减少，此时经电阻接地的单片机IO是没电压的，因为电容是隔直流的，直到充电完毕开始放电，放电的过程同样是电流逐渐减少的，开始放电时电流很大，加到电阻上后提供给IO高电平，一段时间（电容器的充放电参数：建立时间等）后，电流变弱到0，但是复位引脚已经有了超过3us的高电平，所以复位就完成了； 手动复位，如加按键，则是直接将电容短路，给复位引脚送高电平，此部分就只有电容在起作用；当然电源较大（一般3.3v-5v）的话，加电阻是为了分压，防止烧坏引脚。 1.放电是一个一阶电路的零输入响应， SPICE Model R 1 0 R C 1 0 C IC=UC 我们有公式：UR-Uc=0,而UR=i*R, i=dUc/dt; 所以，有RC*dUc/dt+Uc=0;从而有初始条件有：Uc=UC*EXP(-t/RC),令τ=1/RC为时间常数,我们得到放电方程为Uc=UC*EXP(-t/τ), 其放电时间一般为3~5τ，理由是5τ时Uc=0.0067UC,已很小。 2. 充电方程类似，可以自己分析吧！
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)
光伏工程实验报告 实验名称：太阳能电池对储能装置两种方式充电实验学院：材料科学与工程学院 专业：应用物理 指导教师： 报告人：学号：1班级： 实验时间：2015/1/5 实验报告提交时间：2014/12/
一、实验目的 1. 了解超级电容放电的实验； 2. 了解太阳能组件直接对超级电容充电的实验； 3. 了解太阳能组件加DC-DC模块后对超级电容充电实验； 4. 熟悉恒压和恒定功率计算充电效率的方法； 5. 通过对两组实验结果进行比较，找出实现最佳充电效率的方法。 二、实验原理 1．DC-DC模块 DC-DC为直流电压变换电路，能将直流电压 转换为直流电压，相当于交流电路中的变压器，就 是相当于我们平常使用的电源充电器，最基本的 DC-DC变换电路如图1所示。 图1中，Ui为电源，T为晶体闸流管，uC为 晶闸管驱动脉冲，L为滤波电感，C为电容，D为 续流二极管，RL为负载，uo为负载电压。调节晶 闸管驱动脉冲的占空比，即驱动脉冲高电平持续时 间与脉冲周期的比值，即可调节负载端电压。 DC-DC的作用： 当电源电压与负载电压不匹配时，通过 DC-DC调节负载端电压，使负载能正常工作。本实 验的太阳能组件输出电压可以超过10V，而超级电 容器的额定电压为3V左右，因此需要用到DC-DC 模块进行电压的转换。 通过改变负载端电压，改变了折算到电源端的等效负载电阻，当等效负载电阻与电源内阻相等时，电源能最大限度输出能量。 在本实验中，DC-DC模块用于控制太阳能电池，使其始终以最大限度输出能量，保证以恒定功率输出。 2.超级电容 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
电化学工作站测试超级电容器 郑州世瑞思仪器科技有限公司 RST5200E电化学工作站提供了许多适合于超级电容器研究的电化学测试方法，如：“恒流限压快速循环充放电”、“微分电容-频率”、“线性扫描循环伏安法“交流阻抗谱”等，可对超级电容器进行深入的研究。 以前，人们大多用“电池循环充放电仪”对超级电容器进行充放电研究。随着超级电容器应用领域的不断扩展，特别是对快速充放电要求的提高，使得用电池测试仪器研究超级电容器显得力不从心。对超级电容器实施快速循环充放电，需要设立一个限压换流模块，属于反馈控制。就是当采集单元检测到超级电容器两端的电压超越限定值后，立即通知驱动单元改变电流方向。 限压换流的过程必须快速，否则就控制不住了。在 RST5200E 电化学工作站中，限压换流功能由硬件实现，从而确保该反馈控制过程小于1mS。下表列出了一些电化学测试仪器的指标： 下面对RST5200E 电化学工作站中的“恒流限压快速循环充放电”方法进行简单介绍。 1. 超级电容器的连接 工作电极引线夹（绿蓝）接超级电容器正极。 参比电极引线夹（白黄）接超级电容器负极；辅助电极引线夹（红）接超级电容器负极。
运行中，请勿断开超级电容器。 2 .软件功能 2.1 界面布局 左上部为文本框，用于显示运行参数和测量数据。 左下部为操作面板，用于接受操作者的选择。 右边为图形框，用于显示被选中的循环，这些循环属于该曲线的一部分。 2.2 定位显示 本方法将测量获得的曲线以充放电循环作为单元显示于图形框中。通过操作面板，可调 整显示参数：起始循环、循环数量。 2.3 数据计算 软件自动对显示于图形框中的循环进行统计计算，其结果显示于文本框中，有：充电电量、放电电量、充电能量、放电能量、电容量、等效串联电阻等。 2.4 删除多余的循环 在菜单<数据处理>中，设有三个子菜单。 2.4.1 <删除最初一个循环>：通常，由于电容器测试前的初始储能状态不确定，使得第一个循环的充放电不完整，通过该菜单可以删除这个循环。再次操作该菜单，可再删除一个循环。 2.4.2 <删除最后一个循环>：如果手动停止实验，最后一个循环的充放电可能不完整，通过 该菜单可以删除这个循环。再次操作该菜单，可再删除一个循环。 2.4.3 <删除未显示的循环>：如果只对显示于图形框中的那些循环感兴趣，可用该菜单删除显示区域之外的循环。 3. 设定参数 3.1 充电电流
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
超级电容器电极材料性能测试的三种常用电化学方法，欢迎大家一起交流 ★★★★★★★★★★ 关于超级电容器电极材料性能测试常用的三种电化学手段，大家一起交流交流自己的经验。我先说说自己的蠢蠢的不成熟的经验。不正确或者不妥的地方欢迎大家指正批评，共同交流。希望大家都把自己的小经验，测试过程中遇到的问题后面如何解决的写出来，共同学习才能共同进步。也希望大家可以真正的做到利用电化学板块解决自己遇到的电化学问题。 循环伏安cyclic voltammetry (CV) 由CV曲线，可以直观的知道大致一下三个方面的信息 ? Voltage window（水系电解液的电位窗口大致在1V左右，有机电解液的电位窗口会在2.5V 左右）关于很多虫虫问，电位窗口应该从具体的哪个电位到哪个电位，这个应该和你的参比电极和测试体系有关。工作站所测试的电位都应该是相对于参比电极的，所以不要纠结于为什么别人的是0-1V，而你测试的是-0.5-0.5V，这个与参比电极的本身电位（相对于氢标的电位）以及测试的体系本身有很大关系。 ?Specific capacitance （比电容，这个是超级电容器重要的参数之一，可以利用三种测试手段来计算，我一般都是利用恒电流充放电曲线来计算） ?Cycle life （超级电容器电极材料好坏的另一个比较重要的参数，因为一个很棒的电极材料应该是要做到既要有比较高的比电容又要有比较好的循环稳定性） 测试的时候比较重要的测试参数：扫描速度和电位扫描范围。电位的扫描范围，一般会在一个比较宽的范围扫描一次然后选择电容性能还比较好的区间再进行线性扫描，扫描速度会影响比电容，相同的电极材料相同测试体系扫速越大计算出的比电容会越小。 恒电流充放电 galvanostatic charge–discharge (GCD) 由GCD测试曲线，一般可以得到以下几方面的信息： ?the change of specific capacitance（比电容的变化可以从有限多次的恒电流充放电中体现，直观的就是每次充放电曲线的放电时间的变化） ?degree of reversibility(由充放电曲线的对称也可以中看出电极材料充放电的可逆性) ?Cycle life（循环寿命，换句话也就是随着充放电次数的增多，电极材料比电容的保持率）恒电流充放电测试过程中比较重要的测试参数有电流密度，还有充放电反转的电位值。电流密度可以设置为电流/电极面积，也可以设置为电流/活性物质质量。我在测试的过程中一般依据活性物质的质量设置为XXmA/mg。充放电反转的电位值可以依据循环伏安的电位窗口，可以设置为该区间或者小于该区间。 交流阻抗 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 由交流阻抗曲线可以看出体系随着频率改变的变化趋势，得出测试体系某个状态下的包括溶液电阻、扩散阻抗的情况，可以通过测试交流阻抗对测试的未知体系进行电化学元件模拟。
标 签：电容充放电公式 电容充电放电时间计算公式设，V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)] 例如，电压为E的电池通过R向初值为0的电容C充电 V0=0，V1=E，故充到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*[1-exp(-t/RC)]
再如，初始电压为E的电容C通过R放电 V0=E，V1=0，故放到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*exp(-t/RC) 又如，初值为1/3Vcc的电容C通过R充电，充电终值为 Vcc，问充到2/3Vcc需要的时间是多少？ V0=Vcc/3，V1=Vcc,Vt=2*Vcc/3，故 t="RC"*Ln[(1-1/3)/(1-2/3)]=RC*Ln2 = 注：以上exp()表示以e为底的指数函数；Ln()是e为底的对数函 解读电感和电容在交流电路中的作用 山东司友毓 一、电感 1．电感对交变电流的阻碍作用 交变电流通过电感线圈时，由于电流时刻都在变化，因此在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动势总是阻碍原电流的变化，故电感线圈对交变电流会起阻碍作用，前面我们已经学习过，自感电动势的大小与线圈的自感系数及电流变化的快慢有关，自感系数越大，交变电流的频率越高，产生的自感电动势就越大，对交变电流的阻碍作用就越大，电感对交流的阻碍作用大小的物理量叫做感抗，用X L表示，且X L=2πfL。感抗的大小由线圈的自感系数L和交变电流的频率f共同决定。 2．电感线圈在电路中的作用 （1）通直流、阻交流，这是对两种不同类型的电流而言的，因为恒定电流的电流不变化，不能引起自感现象，所以对恒定电流没有阻碍作用，交流电的电流时刻改变，必有自感