電雙層型超級電容的原理及充電方法

早晨起床，給手機充電只要一分鐘，便可將電充滿。這不是做夢!以電雙層為代表的大容量電容器，以超級電容的名字已經(jīng)有了20年以上的商品化歷程．近年來。更是在大容量、高耐壓方面有了驚人的進步。成為蓄電池輔助蓄電裝置，甚至取代蓄電池。

大容量電容器中。除電雙層型以外。尚有混合型(鋰系電容器)和氧化還原型兩種。電雙層型的耐壓為2～3.3V，而混合型(鋰系)耐壓為3.6～4.2V。由于大容量電容器的蓄電能力是以耐壓值的平方數(shù)增加(U=CV2/2)，所以提高耐壓值可使蓄電能力快速提高。電雙層型大容量電容器f以下稱超級電容)的容量可做到100F(法拉)以上，內(nèi)阻僅1mΩ，而鋰系已經(jīng)有單體達10000F的大容量電容器，將成為下一代蓄電裝置。

一、電雙層型電容器的原理及特性

如圖1所示，因在充電時電解液中的正離子被電子吸引、而負離子被空穴吸引,于是分別在正、負電極和電解液的接觸面形成兩個絕緣層并產(chǎn)生了電位差。充電完成后，其形態(tài)猶如兩個串聯(lián)的電容器，被稱為電雙層電容器。在放電時，電子和空穴并不結(jié)合，而是釋放正、負離子到電解液中。顯然。電極和電解液接觸面積大的，其容量也大。與充電電池相比，超級電容沒有化學反應，具有不發(fā)熱、無劣化、高效率、長壽命的優(yōu)點。

二、充電監(jiān)控電路

1．多個電容的均一充電

在將多個超級電容串聯(lián)起來組成更大容量組件的場合，各個超級電容的容量、初始電壓、內(nèi)阻都不會相同，因而即使用相同的電流充電。充滿電的時間也是不同的。因此有必要設置防止過充電的監(jiān)控電路，即并聯(lián)監(jiān)控電路。圖2是一種簡單的監(jiān)控電路，每個電容并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，起分流作用。由于穩(wěn)壓二極管不能細調(diào)穩(wěn)壓值，并聯(lián)監(jiān)控電路采用圖3的電子電路較好，每個電容需并聯(lián)一個此電路。當電容兩端電壓高于設定的分流電壓時，并聯(lián)監(jiān)控電路的晶體管就流過多余的電流，通過保護電阻R4轉(zhuǎn)化為熱量散出；相反則流過的電流減少。

2．初始化以統(tǒng)一充電時間

多個電容組成的組件，制成之后只要存放一個月以上，由于各電容的容量和泄漏電流的誤差。就會形成不同的端電壓，充電時就不能同時達到滿充電。而如果在并聯(lián)監(jiān)控電路的限制電流以上充電，就可能超過某些電容的耐壓。因此。要同時達到滿充電的目的，需要將各個電容的端電壓進行初始化。即以并聯(lián)監(jiān)控電路的限制電流以下的電流進行一次充分的充電。超過耐壓值的電容就停止充電，最后各電池達到一致的電位，以后全體電容的充電就能同時達到滿充電。

三、放電特性

與充電電池不同。超級電容一開始放電。端電壓就開始下降。而對于電子電路，要求提供穩(wěn)定的工作電壓。故需要用輸入電壓范圍大的升降壓DC-DC變換器使輸出電壓恒定。在一定的負荷電流下使超級電容以恒功率放電。其放電特性如圖4。在恒功率放電狀態(tài)下超級電容端電壓如圖4b所示，一開始放電便有一個跌落電壓降10×Rint產(chǎn)生(稱為IR下跌)。然后隨著電壓的下降，電流急速增加。隨著放電的繼續(xù)。端子電壓降到某一電壓值之下，則恒功率放電不能維持，這個界限值由下式求出：