超級(jí)電容的選型和應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(jí)電容器、普通電容器及電池的比較

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

在選擇電容器大小時(shí)，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(shí)間等是幾個(gè)特別需要重點(diǎn)考慮的因素。

電壓

超級(jí)電容器具有一個(gè)推薦的工作電壓，這個(gè)值是根據(jù)電容在設(shè)定溫度下最長(zhǎng)工作時(shí)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(zhǎng)的時(shí)間，電容內(nèi)部的電解液將會(huì)分解形成氣體，當(dāng)氣體的壓力逐漸增強(qiáng)時(shí)，電容的安全孔將會(huì)破裂或者沖破。短時(shí)間的過壓對(duì)電容而言是可以容忍的。

極性

超級(jí)電容器采用對(duì)稱電極設(shè)計(jì)，也就說，他們具有類似的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電容首次裝配時(shí)，每一個(gè)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(shí)，電容就會(huì)變成有極性了，每一個(gè)超級(jí)電容器的外殼上都有一個(gè)負(fù)極的標(biāo)志或者標(biāo)識(shí)。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(shí)變換極性是不推薦的。電容按照一個(gè)方向被充電的時(shí)間越長(zhǎng)，它們的極性就變得越強(qiáng)，如果一個(gè)電容長(zhǎng)時(shí)間按照一個(gè)方向充電后變換極性，那么電容的壽命將會(huì)被縮短。

溫度

超級(jí)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(jí)電容器壽命的重要因素。通常情況下，超級(jí)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(jí)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(duì)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(jí)電容器，那么可以使超級(jí)電容工作高于指定的電壓，而不會(huì)加快超級(jí)電容器內(nèi)部的退化并影響超級(jí)電容器的壽命，在低溫下提高超級(jí)電容的工作電壓，可有效地抵消超級(jí)電容低溫下內(nèi)阻的升高。在高溫情況下，電容內(nèi)阻會(huì)升高，此變化是長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)象，因?yàn)榈蜏叵?，電解液是黏輖性升高，降低了離子的運(yùn)動(dòng)速度。

放電

超級(jí)電容器放電時(shí)，會(huì)按照一條斜率曲線放電，當(dāng)一個(gè)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(duì)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(jì)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(shí)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(jí)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(jí)電容(C值)。

充電

超級(jí)電容器具有多種充電形式，比如恒流、恒功率、恒壓等?；蛘吲c電源并列，比如電池、燃料電池、DC變換器等。如果一個(gè)電容與一個(gè)電池并聯(lián)，那么在電容回路中串聯(lián)一個(gè)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(huì)影響到電池的壽命。一只電容的推薦充電電流計(jì)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(huì)引起電容發(fā)熱，過熱會(huì)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(duì)超級(jí)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(shí)候，同時(shí)會(huì)有一個(gè)額外的附加電流，當(dāng)在充電是時(shí)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(shí)電容沒有連接負(fù)載，這個(gè)電流使電容處于放電狀態(tài)，此時(shí)我們將此電流看成自放電電流。

為了可靠地測(cè)量漏電流或者放電電流，電容必須被連續(xù)充電72小時(shí)以上，這同樣是由電容的結(jié)構(gòu)決定的。超級(jí)電容是模型可以當(dāng)成幾只不同的內(nèi)阻的超級(jí)電容的并聯(lián)，當(dāng)充電時(shí)，低內(nèi)阻的超級(jí)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(jí)電容還沒有被充滿，低內(nèi)阻的超級(jí)電容開始向并聯(lián)的高內(nèi)阻超級(jí)電容放電，這樣電容兩端的電壓下降就會(huì)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(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。

電容串聯(lián)

單體超級(jí)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(gè)單體的電容都不能超過其的耐壓，一旦長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(gè)趨勢(shì)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(dòng)電壓平衡電路來彌補(bǔ)電容容量的不匹配造成的電壓不平衡。

被動(dòng)電壓平衡

被動(dòng)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(dòng)，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(shí)候通常會(huì)大。

被動(dòng)平衡電路只有在不頻繁對(duì)電容進(jìn)行充放電的應(yīng)用中使用，同時(shí)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(shí)，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(shí)，保護(hù)是不夠充分的。

主動(dòng)電壓平衡

主動(dòng)平衡電路強(qiáng)迫串聯(lián)節(jié)點(diǎn)的電壓與參考電壓相一致，不管電壓有多么的不平衡，同時(shí)在確保的電壓平衡時(shí)，主動(dòng)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(shí)，才會(huì)產(chǎn)生比較大的電流，這些特性使主動(dòng)平衡電路非常適合于需要頻繁充放電的場(chǎng)合。

反極性保護(hù)

當(dāng)串聯(lián)使用的超級(jí)電容器被快速充電時(shí)，低容量的電壓有可能變成反極性，這是不允許的，同時(shí)會(huì)降低電容的使用壽命，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決辦法就是在電容的兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，正常情況下，它們是反壓不導(dǎo)通的。使用一個(gè)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(shí)對(duì)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(dòng)電流

雖然超級(jí)電容器具有比較低的內(nèi)阻，但相對(duì)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(dòng)電流場(chǎng)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(dòng)場(chǎng)合時(shí)，保證電容表面的溫度上升不超過5℃。

超級(jí)電容器具有比二次電池更長(zhǎng)的使用壽命，但它的使用壽命并不是無限的，超級(jí)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(shí)際的失效形式往往與用戶的應(yīng)用有關(guān)，長(zhǎng)期過溫(溫度)過壓 (電壓)，或者頻繁大電流放電都會(huì)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(jí)電容器可以有效的延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命。通常，超級(jí)電容器具有與普通電解電容類似的結(jié)構(gòu)，都是在一個(gè)鋁殼內(nèi)密封了液體電解液，若干年以后，電解液會(huì)逐漸干涸，這一點(diǎn)與普通電解電容一樣，這會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)阻的增加，并使電容徹底失效！