超級電容器：備用電源解決方案

需要瞬時備用電源的應用的增多促使對超級電容器的需求增加。超級電容器（supercapacitor，也稱為ultracapacitor），是具有比常規電容器存儲更多能量的能力的電化學電容器。超級電容器可以比電池更快的充電和提供能量。圖1比較了常規電容器、超級電容器、常規電池和燃料電池的功率和能量密度。

圖1：不同能量存儲設備的能量與功率密度

超級電容器的顯著優點是其在老化之前可以循環數千次，而電池則只能循環數百次。此外，與圖2所示的電池相比，超級電容器具有深度放電的能力。然而，由于電解質的分解電壓，大多數超級電容器的大額定值為2.7V-3V。圖2比較了超級電容器和電池的充電/放電曲線。

圖 2：超級電容器和電池的充電/放電循環

超級電容器的新發展已經引入可充電至較高電壓（高達4V）的鋰離子混合電容器，該電容器自放電較少，因此具有較高的能量密度。這些超級電容器的缺點是不能放電到低于約2.2V，否則將被損壞。

超級電容器的組成使得它們的自放電率明顯高于電池。超級電容器的工作溫度越高，充電的電壓越高，老化越快；超級電容器的電容會減小，等效串聯電阻（ESR）增加。這意味著超級電容器可以為應用提供的能量減少。超級電容器的能量可以用公式1表示：

(1)W是超級電容器提供的能量，C是超級電容器的電容，V是超級電容器的電壓。電容器的ESR增加了系統的功率損耗。

圖3顯示了溫度和電壓對超級電容器老化的影響。溫度僅僅增加10°可以將超級電容器的壽命減少一半。此外，通常的做法是將超級電容器充電至低于標稱電壓的電壓，以增加其壽命。

圖3：超級電容器不同溫度下的使用壽命與電容器電壓

由于超級電容器充電的大電壓在2.7V和3V之間，因此，對于大多數應用來說有必要串聯連接幾個超級電容器。因此，必須平衡超級電容器；否則一個單元可能比另一個單元更多地充電，導致不相等的電容器老化，降低電容器組為應用提供所需能量的能力。

平衡超級電容器采用的方法包括：使用電阻器串的無源平衡，使用開關電阻器，使用齊納二極管和有源平衡。前三種方法會導致電阻器中的功率損耗，第四種方法是最有效的，但也是最貴的。

當超級電容器用于備用電源應用時，必須監控其電容和ESR，以確保能夠提供應用所需的低能量。