超级电容智能充放电设备硬件部分(附件)【字数：7747】
摘 要由于石油资源的日益短缺，并且燃烧石油资源产生的空气污染越来越严重，人们在研究可以替代内燃机的新型能源装置。超级电容器是在二十世纪七十年代发展起来的介于电池与电容器之间的新型储能器件,是同体积的电解电容器容量的2000~6000倍，与化学电池相比，具有电池容量大、充放电循环次数可高达100000次以上、快速充电、无污染、免维护等优点。因此，超级电容器因其优越的性能受到各个国家的重视和研究，被广泛应用在电动汽车领域、太阳能和风能等领域。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
1.4本文内容章节安排 2
第二章 超级电容 3
2.1超级电容特性 3
2.2超级电容充电方式 3
2.3充电器控制器 5
第三章 充电器主电路的设计 7
3.1 恒流充电电路 7
3.2恒压充电电路 8
3.3 AD采样和DA输出电路 9
3.4 控制电路 9
第四章 超级电容充电器工作流程及总结 11
4.1超级电容充电器工作流程 11
4.2实验总结 12
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录 16
第一章 绪论
1.1课题背景
由于环境污染的日趋严重和石油资源日渐匮乏，人们希望研究出新型的能源能替代石油资源。二十世纪七十年代，科研人员在试验过程中惊喜的发现了超级电容，这是一种介于电池与电容器之间的新型储能器件,与同体积的电解电容器相比，超级电容的容量是普通电容的2000~6000倍，与化学电池相比，具有电池容量大、充放电循环次数可高达100000次以上、快速充电、无污染、免维护等优点。因此，超级电容器因其优越的性能受到各个国家的重视和研究，被广泛应用在电动汽车领域、太阳能和风能等许多绿色无污染能源领域。
由于许多公司和国家更多的精力集中在超级电容的本身的材料、容量、功率等问题上，所以较少关于超级电容的充电设备。本次的课题是针对超级电容本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
身快速充放电和大容量等特点，基于C8051F005设计的充电设备。
1.2国内外研究现状
虽然在1879年，科研人员就发现了电化学双电层界面的电容性质，并提出了双电层理论。但最早是在1979年就有超级电容器的概念，在松下、三菱、NEC等公司的研究下，二十世纪八十年代超级电容器才开始了大规模的产业化，并且开始进入人们的生活当中。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超级电容器方面的研究全球首屈一指。目前，各个国家都在加强对超级电容的研究，在功率、容量、价格、体积、安全性等方面各个国家都在争相发展，不断地完善本国技术的缺陷，加强优势。
在超级电容器产业化方面的研究，日本、俄罗斯、美国等科技强国起步较早，多年的研究和技术使得现在国际超级电容器的市场中，占据大部分的市场比重的公司都是美国、俄罗斯等国家的公司。比如俄罗斯的Econd公司，美国的Maxwell公司，日本的NEC、松下等公司。国内从事超级电容器的研究较晚，在二十世纪九十年代才开始，目前能够批量生产并且达到实用化水平的厂家相比于外国来说还是太少，只有为数不多的十几家，如上海奥威、锦州富辰、北京合众汇能等公司。其中，锦州富辰公司生产规模最大，其主要产品有纽扣型和卷绕型超级电容器，而上海奥威公司的技术在国内遥遥领先，该公司的产品已经达到同类产品的国际水平。据数据显示，国产超级电容器已占有中国市场超过一半的的份额。
虽然国内超级电容器在工艺和一些产品性能上还不能与国外超级电容器相媲美，但正在慢慢缩小差距。例如，在绕线和大型超级电容器方面，我国的产品还需要不断地发展才能接近国际水准，但是部分产品的性能，国产技术甚至比国际同类产品更为先进。 在短期大功率应用中，国内技术已达到世界一流水平，以石家庄科技，北京金正平公司为代表，已生产容量在0.5?2000F，工作电压12?400V ，最大放电电流在400?2000A系列超级电容器产品，其技术含量已接近俄罗斯，但价格只有俄罗斯的1/3，具有较高的性价比，能够吸引更多的消费者。
1.3课题的主要研究内容
本课题的主要工作是了解超级电容的历史和发展，对其未来的发展趋势有大概的了解，研究了解其充放电的基本原理和过程，在初步的了解后，针对对超级电容本身快速充电，容量大，无污染的特点，对其工作原理熟悉的基础上，应用基础的模拟电子技术和数字电路的知识，有针对性的设计的充电设备。
笔者的主要工作内容是在了解超级电容的基本充电过程和原理后，使用Protel这款软件设计整个智能充电器，其中包括模拟电路的输入输出部分、5V电源、3Vd电源、液晶屏接口、JTAG、外接键盘、以及针对超级电容特点设计的恒流充电和恒压充电部分的电路图设计，并且配合软件部分的工作，积极的参与程序的编写。
其目标是完成一个智能充电设备，并通过对这个设备的设计，深入学习模拟电子技术和数字电路、研究一个充电设备的整个工作流程。
1.4本文内容章节安排
本文通过了解分析研究超级电容的性能特点，针对其大电流，大功率等特点，基于C8051F005这款芯片设计的自动选择充电方式，并且在液晶屏在以曲线图形式显示当前充电电流和超级电容电压的设备。
第一章对超级电容国内外发展历史、未来发展趋势、本身的性能特点以及研究的重难点进行简要叙述。
第二章详细探讨了超级电容的特性、电池的几种充电方式和C8051F005这款芯片的性能参数，通过参数的计算和比较，选择合适的原件，并说明的原因。
第三章则是在前面的基础上，设计恒流恒压充电电路，并说明设计的目的和原因。
第四章为总结全文、实验结果的展示，总结过程，让读者对本课题实验有着直观印象。 第二章 超级电容
2.1超级电容特性
超级电容器，又名为电化学电容器、黄金电容、法拉电容；包括双电层电容器和赝电容器,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，所以没有污染，是一种新型绿色能源。超级电容的这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以循环使用，反复充放电数十万次，使用寿命长。
超级电容器是采用电双层原理的电容器。当施加的电压施加到超级电容器的两个板时，与普通电容器一样，板的正极存储正电荷，负极板存储负电荷。在由超级电容器的两个电极上的电荷产生的电场下，在电解质和电极之间的界面处形成相反的电荷，以平衡电解质的内部电场。这种正电荷和负电荷被布置在两个不同相之间的接触表面上，在正电荷和负电荷之间具有非常短的间隙。在相反的位置，该电荷分布层被称为双电层，因此电容非常大。当两个电极之间的电位低于电解质的氧化还原电极电位时，电解质界面上的电荷将不会与电解质分离，超级电容器处于正常工作状态（通常为3V或更低），例如电容器两端的电压超过电解液的氧化当电极电位降低时，电解液会分解并处于异常状态。当超级电容器放电时，正极板和负极板上的电荷被外部电路放电，并且电解液界面上的电荷相应减小。可以看出,超级电容器的放电过程总是物理过程，没有化学反应。所以性能稳定，与电池的化学反应不同。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
1.4本文内容章节安排 2
第二章 超级电容 3
2.1超级电容特性 3
2.2超级电容充电方式 3
2.3充电器控制器 5
第三章 充电器主电路的设计 7
3.1 恒流充电电路 7
3.2恒压充电电路 8
3.3 AD采样和DA输出电路 9
3.4 控制电路 9
第四章 超级电容充电器工作流程及总结 11
4.1超级电容充电器工作流程 11
4.2实验总结 12
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
附录 16
第一章 绪论
1.1课题背景
由于环境污染的日趋严重和石油资源日渐匮乏，人们希望研究出新型的能源能替代石油资源。二十世纪七十年代，科研人员在试验过程中惊喜的发现了超级电容，这是一种介于电池与电容器之间的新型储能器件,与同体积的电解电容器相比，超级电容的容量是普通电容的2000~6000倍，与化学电池相比，具有电池容量大、充放电循环次数可高达100000次以上、快速充电、无污染、免维护等优点。因此，超级电容器因其优越的性能受到各个国家的重视和研究，被广泛应用在电动汽车领域、太阳能和风能等许多绿色无污染能源领域。
由于许多公司和国家更多的精力集中在超级电容的本身的材料、容量、功率等问题上，所以较少关于超级电容的充电设备。本次的课题是针对超级电容本 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
身快速充放电和大容量等特点，基于C8051F005设计的充电设备。
1.2国内外研究现状
虽然在1879年，科研人员就发现了电化学双电层界面的电容性质，并提出了双电层理论。但最早是在1979年就有超级电容器的概念，在松下、三菱、NEC等公司的研究下，二十世纪八十年代超级电容器才开始了大规模的产业化，并且开始进入人们的生活当中。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、NESS等公司在超级电容器方面的研究全球首屈一指。目前，各个国家都在加强对超级电容的研究，在功率、容量、价格、体积、安全性等方面各个国家都在争相发展，不断地完善本国技术的缺陷，加强优势。
在超级电容器产业化方面的研究，日本、俄罗斯、美国等科技强国起步较早，多年的研究和技术使得现在国际超级电容器的市场中，占据大部分的市场比重的公司都是美国、俄罗斯等国家的公司。比如俄罗斯的Econd公司，美国的Maxwell公司，日本的NEC、松下等公司。国内从事超级电容器的研究较晚，在二十世纪九十年代才开始，目前能够批量生产并且达到实用化水平的厂家相比于外国来说还是太少，只有为数不多的十几家，如上海奥威、锦州富辰、北京合众汇能等公司。其中，锦州富辰公司生产规模最大，其主要产品有纽扣型和卷绕型超级电容器，而上海奥威公司的技术在国内遥遥领先，该公司的产品已经达到同类产品的国际水平。据数据显示，国产超级电容器已占有中国市场超过一半的的份额。
虽然国内超级电容器在工艺和一些产品性能上还不能与国外超级电容器相媲美，但正在慢慢缩小差距。例如，在绕线和大型超级电容器方面，我国的产品还需要不断地发展才能接近国际水准，但是部分产品的性能，国产技术甚至比国际同类产品更为先进。 在短期大功率应用中，国内技术已达到世界一流水平，以石家庄科技，北京金正平公司为代表，已生产容量在0.5?2000F，工作电压12?400V ，最大放电电流在400?2000A系列超级电容器产品，其技术含量已接近俄罗斯，但价格只有俄罗斯的1/3，具有较高的性价比，能够吸引更多的消费者。
1.3课题的主要研究内容
本课题的主要工作是了解超级电容的历史和发展，对其未来的发展趋势有大概的了解，研究了解其充放电的基本原理和过程，在初步的了解后，针对对超级电容本身快速充电，容量大，无污染的特点，对其工作原理熟悉的基础上，应用基础的模拟电子技术和数字电路的知识，有针对性的设计的充电设备。
笔者的主要工作内容是在了解超级电容的基本充电过程和原理后，使用Protel这款软件设计整个智能充电器，其中包括模拟电路的输入输出部分、5V电源、3Vd电源、液晶屏接口、JTAG、外接键盘、以及针对超级电容特点设计的恒流充电和恒压充电部分的电路图设计，并且配合软件部分的工作，积极的参与程序的编写。
其目标是完成一个智能充电设备，并通过对这个设备的设计，深入学习模拟电子技术和数字电路、研究一个充电设备的整个工作流程。
1.4本文内容章节安排
本文通过了解分析研究超级电容的性能特点，针对其大电流，大功率等特点，基于C8051F005这款芯片设计的自动选择充电方式，并且在液晶屏在以曲线图形式显示当前充电电流和超级电容电压的设备。
第一章对超级电容国内外发展历史、未来发展趋势、本身的性能特点以及研究的重难点进行简要叙述。
第二章详细探讨了超级电容的特性、电池的几种充电方式和C8051F005这款芯片的性能参数，通过参数的计算和比较，选择合适的原件，并说明的原因。
第三章则是在前面的基础上，设计恒流恒压充电电路，并说明设计的目的和原因。
第四章为总结全文、实验结果的展示，总结过程，让读者对本课题实验有着直观印象。 第二章 超级电容
2.1超级电容特性
超级电容器，又名为电化学电容器、黄金电容、法拉电容；包括双电层电容器和赝电容器,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，所以没有污染，是一种新型绿色能源。超级电容的这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以循环使用，反复充放电数十万次，使用寿命长。
超级电容器是采用电双层原理的电容器。当施加的电压施加到超级电容器的两个板时，与普通电容器一样，板的正极存储正电荷，负极板存储负电荷。在由超级电容器的两个电极上的电荷产生的电场下，在电解质和电极之间的界面处形成相反的电荷，以平衡电解质的内部电场。这种正电荷和负电荷被布置在两个不同相之间的接触表面上，在正电荷和负电荷之间具有非常短的间隙。在相反的位置，该电荷分布层被称为双电层，因此电容非常大。当两个电极之间的电位低于电解质的氧化还原电极电位时，电解质界面上的电荷将不会与电解质分离，超级电容器处于正常工作状态（通常为3V或更低），例如电容器两端的电压超过电解液的氧化当电极电位降低时，电解液会分解并处于异常状态。当超级电容器放电时，正极板和负极板上的电荷被外部电路放电，并且电解液界面上的电荷相应减小。可以看出,超级电容器的放电过程总是物理过程，没有化学反应。所以性能稳定，与电池的化学反应不同。
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