2024年5月9日发(作者：银明杰)
第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品
超级电容剃须刀专用充电器
设计者：李淑展,常亚培, 王东升
指导教师：王小松
河南理工大学机械与动力工程学院，焦作 454003
摘 要 ：
为超级电容剃须刀的超级电容器开发了一种高频开关充电器，该充电器的主电
路采用稳压二极管、发光二极管、三极管、继电器作为充电模块状态监控器，以充电器的可
调性能，可以为电容电池充电。样机试用结果表明，该充电器能够实现对超级电容器组的快
速高效充电与智能监测。
关键词：
超级电容；超级电容剃须刀；专用充电器；三极管；继电器
一、
超级电容剃须刀专用充电器设计说明
（一） 研究背景及意义
超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池之间的一种新型储能元件，兼具两者的优
点，超级电容器具有许多电池无法比拟的优点：它具有很高的放电功率、法拉级别的超大电
容量、较高的能量、较宽的工作温度范围、极长的使用寿命、免维护、对环境无污染优点。
超级电容剃须刀的关键部件之一是与之相匹配的动力电源，其对动力电源系统有着基本
的要求:比能量高、比功率高、效率时间长、寿命能够满足高脉冲大电流充放电等。常用的二
次电池都具有较高的比能量，但比功率较低，一般不超过500W /kg，而且电池由于大脉电流
工作时的化学反应引起的内部发热升温会降低电池使用寿命，甚至造成危险。超级电容具有
[1]
很高的功率密度，是一种理想的电机启动和加速时的电源。动力电源充电模块是整个超级电
容剃须刀的重要组成部分，准确、可靠、高效地对动力能源进行充电，是保证超级电容剃须
刀正常工作的前提。根据超级电容可以高脉冲大电流充放电的特点，文中提出一种运用三极
管和继电器的的智能充电模块，可有效实现超级电容器组在充电完成时自动断开的功能。
由实验可知，用普通的充电器对电容电池充电，当达到最大电压时，不能自动断开，如
果没有人为的控制，可能会使电容电源过冲而爆炸，目前，对电容充电的专用充电器还没有
诞生，开发和研制电容专用充电器是当务之急。
（二）充电电路的方案设计
1、理论基础
在充电过程中，超过充电接受曲线的任何充电电流，不能提高充电速率，而且会增加吸
气量,小于此接受曲线的充电电流,便是电池的允许充电电流，不会对电池造成伤害，如图1
所示，通过瞬时停充或大电流放电，可以消除极化现象，使电池的可接受充电曲线不断右移，
从而大大提高充电速度和效率，缩短充电时间。也就是说，在电池充电接受能力下降时，可
以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。
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第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品
图1电池充电特性曲线
2、硬件电路设计
本设计中输入电路采用的是整流加电容滤波电路，交流输入电压值为常用220V交流电压，
超级电容本身的内阻非常小，在初始充电时,由于输入输出电压相差悬殊，如果采用传统的单
级Buck电路，会因IGBT导通占空比过小而引起过大的开关损耗，同时系统易受干扰因素的
影响。针对输入电压和输出电压相差悬殊而引起的占空比过小的问题，采用隔离式变换器，
但由于超级电容器组在充电过程中其端电压是变化的，而单级隔离式变换器输出电压固定，
因此单级隔离式变换器无法满足本设计中的充电要求。为了避免初始充电时占空比过小引起
的问题，同时能够根据超级电容器组端电压的变化而随时改变充电电压，所以充电初始阶段
最好采用恒流限压充电模式，充电最终阶段采用恒压限流充电模式。
基本电路结构
图2 Buck电路基本电路结构
3、充电电路的控制设计
电路控制技术主要采用二极管的单向导电性，三极管的开关作用和继电器来实现对电路的
控制，当三极管的发射结正偏，集电结反偏时电路导通，开始为电池充电。同时，可以通过
调整电路中的电位器，来改变输入电流。
本充电电路首先采用恒流限压充电方式，控制充电电压，保证恒流输出，恒流充电结束后
转入涓流浮充方式，直到超级电容器充满。采用这种充电方式的好处是：第一阶段采用较大
电流以节省充电时间，后期采用恒压充电可以在结束前达到小电流充电，使超级电容器组在
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2024年5月9日发(作者：银明杰)
第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品
超级电容剃须刀专用充电器
设计者：李淑展,常亚培, 王东升
指导教师：王小松
河南理工大学机械与动力工程学院，焦作 454003
摘 要 ：
为超级电容剃须刀的超级电容器开发了一种高频开关充电器，该充电器的主电
路采用稳压二极管、发光二极管、三极管、继电器作为充电模块状态监控器，以充电器的可
调性能，可以为电容电池充电。样机试用结果表明，该充电器能够实现对超级电容器组的快
速高效充电与智能监测。
关键词：
超级电容；超级电容剃须刀；专用充电器；三极管；继电器
一、
超级电容剃须刀专用充电器设计说明
（一） 研究背景及意义
超级电容器是一种介于常规电容器与化学电池之间的一种新型储能元件，兼具两者的优
点，超级电容器具有许多电池无法比拟的优点：它具有很高的放电功率、法拉级别的超大电
容量、较高的能量、较宽的工作温度范围、极长的使用寿命、免维护、对环境无污染优点。
超级电容剃须刀的关键部件之一是与之相匹配的动力电源，其对动力电源系统有着基本
的要求:比能量高、比功率高、效率时间长、寿命能够满足高脉冲大电流充放电等。常用的二
次电池都具有较高的比能量，但比功率较低，一般不超过500W /kg，而且电池由于大脉电流
工作时的化学反应引起的内部发热升温会降低电池使用寿命，甚至造成危险。超级电容具有
[1]
很高的功率密度，是一种理想的电机启动和加速时的电源。动力电源充电模块是整个超级电
容剃须刀的重要组成部分，准确、可靠、高效地对动力能源进行充电，是保证超级电容剃须
刀正常工作的前提。根据超级电容可以高脉冲大电流充放电的特点，文中提出一种运用三极
管和继电器的的智能充电模块，可有效实现超级电容器组在充电完成时自动断开的功能。
由实验可知，用普通的充电器对电容电池充电，当达到最大电压时，不能自动断开，如
果没有人为的控制，可能会使电容电源过冲而爆炸，目前，对电容充电的专用充电器还没有
诞生，开发和研制电容专用充电器是当务之急。
（二）充电电路的方案设计
1、理论基础
在充电过程中，超过充电接受曲线的任何充电电流，不能提高充电速率，而且会增加吸
气量,小于此接受曲线的充电电流,便是电池的允许充电电流，不会对电池造成伤害，如图1
所示，通过瞬时停充或大电流放电，可以消除极化现象，使电池的可接受充电曲线不断右移，
从而大大提高充电速度和效率，缩短充电时间。也就是说，在电池充电接受能力下降时，可
以在充电的过程中加入放电来提高接受能力。
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第九届清华大学环境友好科技竞赛参赛作品
图1电池充电特性曲线
2、硬件电路设计
本设计中输入电路采用的是整流加电容滤波电路，交流输入电压值为常用220V交流电压，
超级电容本身的内阻非常小，在初始充电时,由于输入输出电压相差悬殊，如果采用传统的单
级Buck电路，会因IGBT导通占空比过小而引起过大的开关损耗，同时系统易受干扰因素的
影响。针对输入电压和输出电压相差悬殊而引起的占空比过小的问题，采用隔离式变换器，
但由于超级电容器组在充电过程中其端电压是变化的，而单级隔离式变换器输出电压固定，
因此单级隔离式变换器无法满足本设计中的充电要求。为了避免初始充电时占空比过小引起
的问题，同时能够根据超级电容器组端电压的变化而随时改变充电电压，所以充电初始阶段
最好采用恒流限压充电模式，充电最终阶段采用恒压限流充电模式。
基本电路结构
图2 Buck电路基本电路结构
3、充电电路的控制设计
电路控制技术主要采用二极管的单向导电性，三极管的开关作用和继电器来实现对电路的
控制，当三极管的发射结正偏，集电结反偏时电路导通，开始为电池充电。同时，可以通过
调整电路中的电位器，来改变输入电流。
本充电电路首先采用恒流限压充电方式，控制充电电压，保证恒流输出，恒流充电结束后
转入涓流浮充方式，直到超级电容器充满。采用这种充电方式的好处是：第一阶段采用较大
电流以节省充电时间，后期采用恒压充电可以在结束前达到小电流充电，使超级电容器组在
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