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。由于稳压二极管不能细调稳压值，并联监控电路采用图3的电子电路较好，每个电容需并联一个此电路。当电容两端电压高于设定的分流电压时，并联监控电路的晶体管就流过多余的电流，通过保护电阻R4转化为热量散出；相反则流过的电流减少。

2．初始化以统一充电时间

多个电容组成的组件，制成之后只要存放一个月以上，由于各电容的容量和泄漏电流的误差。就会形成不同的端电压，充电时就不能同时达到满充电。而如果在并联监控电路的限制电流以上充电，就可能超过某些电容的耐压。因此。要同时达到满充电的目的，需要将各个电容的端电压进行初始化。即以并联监控电路的限制电流以下的电流进行一次充分的充电。超过耐压值的电容就停止充电，最后各电池达到一致的电位，以后全体电容的充电就能同时达到满充电。

三、放电特性

与充电电池不同。超级电容一开始放电。端电压就开始下降。而对于电子电路，要求提供稳定的工作电压。故需要用输入电压范围大的升降压DC-DC变换器使输出电压恒定。在一定的负荷电流下使超级电容以恒功率放电。其放电特性如图4。在恒功率放电状态下超级电容端电压如图4b所示，一开始放电便有一个跌落电压降10×Rint产生(称为IR下跌)。然后随着电压的下降，电流急速增加。随着放电的继续。端子电压降到某一电压值之下，则恒功率放电不能维持，这个界限值由下式求出：