超級電容的選型和應(yīng)用

超級電容器是一種通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件，可作為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，且儲能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。其突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量的一種。

超級電容器、普通電容器及電池的比較

對于超級電容的選擇，功率要求、放電時間及系統(tǒng)電壓變化起決定作用。超級電容器的輸出電壓降由兩部分組成，一部分是超級電容器釋放能量；另一部分是由于超級電容器內(nèi)阻引起。兩部分誰占主要取決于時間，在非常快的脈沖中，內(nèi)阻部分占主要的，相反在長時間放電中，容性部分占主要。

在選擇電容器大小時，需要考慮多方面的因素，其中工作電壓、工作截止電壓、平均放電電流、放電時間等是幾個特別需要重點考慮的因素。

電壓

超級電容器具有一個推薦的工作電壓，這個值是根據(jù)電容在設(shè)定溫度下最長工作時間來確定的。如果應(yīng)用電壓高于推薦電壓，將縮短電容的壽命，如果過壓比較長的時間，電容內(nèi)部的電解液將會分解形成氣體，當(dāng)氣體的壓力逐漸增強時，電容的安全孔將會破裂或者沖破。短時間的過壓對電容而言是可以容忍的。

極性

超級電容器采用對稱電極設(shè)計，也就說，他們具有類似的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電容首次裝配時，每一個電極都可以被當(dāng)成正極或者負(fù)極，一旦電容被100%充滿電時，電容就會變成有極性了，每一個超級電容器的外殼上都有一個負(fù)極的標(biāo)志或者標(biāo)識。雖然它們可以被短路以使電壓降低到零伏，但電極依然保留很少一部分的電荷，此時變換極性是不推薦的。電容按照一個方向被充電的時間越長，它們的極性就變得越強，如果一個電容長時間按照一個方向充電后變換極性，那么電容的壽命將會被縮短。

溫度

超級電容器的正常操作溫度是-40 ℃～ 70℃，溫度與電壓的結(jié)合是影響超級電容器壽命的重要因素。通常情況下，超級電容器是溫度每升高10℃，電容的壽命就將降低30%～50%，也就說，在可能的情況下，盡可以的降低超級電容器的使用溫度，以降低電容的衰減與內(nèi)阻的升高，如果不可能降低使用溫度，那么可以降低電壓以抵清高溫對電容的負(fù)面影響。比如，如果電容的工作電壓降低為1.8V，那么電容可以工作于65℃高溫下。如果在低于室溫的條件下使用超級電容器，那么可以使超級電容工作高于指定的電壓，而不會加快超級電容器內(nèi)部的退化并影響超級電容器的壽命，在低溫下提高超級電容的工作電壓，可有效地抵消超級電容低溫下內(nèi)阻的升高。在高溫情況下，電容內(nèi)阻會升高，此變化是長久的，不可逆轉(zhuǎn)的(電解液已分解)，在低溫下，電容內(nèi)阻的升高是暫時現(xiàn)象，因為低溫下，電解液是黏輖性升高，降低了離子的運動速度。

放電

超級電容器放電時，會按照一條斜率曲線放電，當(dāng)一個應(yīng)用明確了電容的容量與內(nèi)阻要求后，最重要的就是需要了解電阻及電容量對放電特性的影響。在脈沖應(yīng)用中，電阻是最重要的因素，在小電流應(yīng)用中，容量又是重要的因素。計算公式如下：

V=I(R + t/C)

其中V是起始工作電壓與截止工作電壓之差，I是放電電流，R是電容是直流內(nèi)阻，t是放電時間，C是電容容量在脈沖應(yīng)用中，由于瞬間電流很大，為減少電壓跌落，選用低內(nèi)阻(ESR)的超級電容(R值)，在小電流應(yīng)用中，為降低電壓跌落，需要選用大容量的超級電容(C值)。

充電

超級電容器具有多種充電形式，比如恒流、恒功率、恒壓等。或者與電源并列，比如電池、燃料電池、DC變換器等。如果一個電容與一個電池并聯(lián)，那么在電容回路中串聯(lián)一個電阻將降低電容的充電電流，并提高電池的使用壽命。如果串聯(lián)了電阻，那么要保證電容的電壓輸出是直接與負(fù)載連接，而沒有經(jīng)過電阻，否則電容是低電阻特性將是無效。很多電池系統(tǒng)不允許瞬間大電流放電，否則會影響到電池的壽命。一只電容的推薦充電電流計算公式如下:

I=Vw/5R

其中I是推薦的充電電流，Vw是充電電壓，R是電容的直流內(nèi)阻。

電容持續(xù)采用大電流或者過壓充電。會引起電容發(fā)熱，過熱會導(dǎo)致電容內(nèi)阻增加、電解液分解產(chǎn)生氣體、縮短壽命、漏電流增加或者電容破裂。

自放電與漏電流

自放電與自漏電本質(zhì)上是一樣的，針對超級電容器的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在電容內(nèi)部是正極和負(fù)極之間有一條高阻電流通道，這就是意味著在電容充電的時候，同時會有一個額外的附加電流，當(dāng)在充電是時候，我們可以將此電流當(dāng)成漏電流;當(dāng)移去充電電壓后，同時電容沒有連接負(fù)載，這個電流使電容處于放電狀態(tài)，此時我們將此電流看成自放電電流。

為了可靠地測量漏電流或者放電電流，電容必須被連續(xù)充電72小時以上，這同樣是由電容的結(jié)構(gòu)決定的。超級電容是模型可以當(dāng)成幾只不同的內(nèi)阻的超級電容的并聯(lián)，當(dāng)充電時，低內(nèi)阻的超級電容充電速度快，電壓很快上升至與充電電壓相等，當(dāng)充電電壓移去后，如果高內(nèi)阻的超級電容還沒有被充滿，低內(nèi)阻的超級電容開始向并聯(lián)的高內(nèi)阻超級電容放電，這樣電容兩端的電壓下降就會比較快，給人的印象是電容具有比較大的自放電，必須注意的是：當(dāng)電容容量越大，電容被充滿所需的時間就會越長。

電容串聯(lián)

單體超級電容器的電壓一般為2.5V或者2.7V，在許多應(yīng)用中，需要比較高的電壓，這樣可以使用串聯(lián)的方法來提高電容的電壓，必須注意，在串聯(lián)應(yīng)用中，每一個單體的電容都不能超過其的耐壓，一旦長期過壓，將導(dǎo)致電容電解液分解、氣體產(chǎn)生、內(nèi)阻增加以及電容壽命縮短。

在放電或者充電時，電容容量的差異或者穩(wěn)定狀態(tài)下漏電流的差異，都將導(dǎo)致串聯(lián)電容分壓不平衡。在充電時，串聯(lián)的電容將進(jìn)行分壓，這樣高容量的電容將承受更大的電壓壓力。比如，如果兩個1F的電容進(jìn)行串聯(lián)，一只是+20%容量偏差，另一只是-20%容量偏差，電容分壓如下：

Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)]

其中Vcap1是+20%容量偏差的電容如果充電電壓是5V

Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V

從上式可以看出，如果需要避免分壓大于電容的峰值電壓3V，那么電容容量誤差必須在同一個趨勢范圍內(nèi)，比如同為+20%誤差或者同為-20%誤差。另外也可以用主動電壓平衡電路來彌補電容容量的不匹配造成的電壓不平衡。

被動電壓平衡

被動電壓平衡電路是采用與電容并聯(lián)的電阻進(jìn)行分壓，這就允許電流從電壓比較高的電容向電壓比較低的電容流動，通過這種方式進(jìn)行電壓平衡。選擇電阻的阻值是非常重要的，通常要使電阻允許的電流大于電容預(yù)期的漏電流。需要記住的是，漏電流在溫度升高的時候通常會大。

被動平衡電路只有在不頻繁對電容進(jìn)行充放電的應(yīng)用中使用，同時能夠容忍平衡電阻引起的額外電流，建議選擇平衡電阻阻值時，使平衡電阻的電流大于電容漏電流50倍以上，(平衡電阻值為3.3KΩ-22KΩ,取決于電容的高操作溫度)，雖然大多數(shù)平衡電路都采用比較高的平衡電阻，但當(dāng)串聯(lián)的電容非常不匹配時，保護(hù)是不夠充分的。

主動電壓平衡

主動平衡電路強迫串聯(lián)節(jié)點的電壓與參考電壓相一致，不管電壓有多么的不平衡，同時在確保的電壓平衡時，主動平衡電路在穩(wěn)定狀態(tài)下只有非常低的電流，只有當(dāng)電壓超出平衡范圍時，才會產(chǎn)生比較大的電流，這些特性使主動平衡電路非常適合于需要頻繁充放電的場合。

反極性保護(hù)

當(dāng)串聯(lián)使用的超級電容器被快速充電時，低容量的電壓有可能變成反極性，這是不允許的，同時會降低電容的使用壽命，一個簡單的解決辦法就是在電容的兩端并聯(lián)一個二極管，正常情況下，它們是反壓不導(dǎo)通的。使用一個合適的齊納穩(wěn)壓二極管替換標(biāo)準(zhǔn)的二極管，能夠同時對電容過壓進(jìn)行保護(hù)。需要注意，二極管必須能夠承受電源的峰值電流。

脈動電流

雖然超級電容器具有比較低的內(nèi)阻，但相對于電解電容而言，它的內(nèi)阻還是比較大，當(dāng)應(yīng)用于脈動電流場合下，容易引起電容內(nèi)部發(fā)熱。從而導(dǎo)致電容內(nèi)部電解液分解、內(nèi)阻增加，并引起電容壽命縮短。為了保證電容的使用壽命，在應(yīng)用于脈動場合時，保證電容表面的溫度上升不超過5℃。

超級電容器具有比二次電池更長的使用壽命，但它的使用壽命并不是無限的，超級電容器基本失效的形式是電容內(nèi)阻的增加( ESR)與 (或) 電容容量的降低.，電容實際的失效形式往往與用戶的應(yīng)用有關(guān)，長期過溫(溫度)過壓 (電壓)，或者頻繁大電流放電都會導(dǎo)致電容內(nèi)阻的增加或者容量的減小。在規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)使用超級電容器可以有效的延長超級電容器的壽命。通常，超級電容器具有與普通電解電容類似的結(jié)構(gòu)，都是在一個鋁殼內(nèi)密封了液體電解液，若干年以后，電解液會逐漸干涸，這一點與普通電解電容一樣，這會導(dǎo)致電容內(nèi)阻的增加，并使電容徹底失效！