鉅大LARGE | 點擊量：1337次 | 2019年04月27日
超級電容器工作原理應(yīng)用及如何選擇超級電容器！
超級電容器（supercapacitor），又叫雙電層電容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor）、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。
超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。
超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)τ在1-2s，完全給阻-容式電路放電大約需要5τ，也就是說如果短路放電大約需要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全放完。
超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。超級電容器的面2積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10A）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。
超級電容器使用注意事項
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1、超級電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。
2、超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用：當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時，將會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。
3、超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。
4、超級電容器的壽命：外界環(huán)境溫度對于超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。
5、當(dāng)超級電容器被用做后備電源時的電壓降：由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降，？V=IR。
6、使用中環(huán)境氣體：超級電容器不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所，這些環(huán)境下會導(dǎo)致引線及電容器殼體腐蝕，導(dǎo)致斷路。
7、超級電容器的存放：超級電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，因為這樣會導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。
8、超級電容器在雙面線路板上的使用：當(dāng)超級電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導(dǎo)致短路現(xiàn)象。
9、當(dāng)把電容器焊接在線路板上時，不可將電容器殼體接觸到線路板上，不然焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。
10、安裝超級電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動電容器，這樣會導(dǎo)致電容器引線松動，導(dǎo)致性能劣化。
11、在焊接過程中避免使電容器過熱：若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應(yīng)為260℃，時間不超過5s。
12、焊接后的清洗：在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗，因為某些雜質(zhì)可能會導(dǎo)致電容器短路。
13、將電容器串聯(lián)使用時：當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術(shù)支持。
14、其他：在使用超級電容器的過程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問題，請向生產(chǎn)廠家咨詢或參照超級電容器使用說明的相關(guān)技術(shù)資料。
超級電容器的兩個主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時流向負(fù)載大電流；瞬時功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應(yīng)用：斷電時磁盤驅(qū)動頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對超級電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻（R），而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量（C）。
超級電容器的兩個主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時流向負(fù)載大電流；瞬時功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應(yīng)用：斷電時磁盤驅(qū)動頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻（R），而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量（C）。
下面提供了兩種計算公式和應(yīng)用實例：
C(F)：超電容的標(biāo)稱容量；
R(Ohms)：超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻；
ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯(lián)電阻；
Uwork(V)：在電路中的正常工作電壓；
Umin(V)：要求器件工作的最小電壓；
t(s)：在電路中要求的保持時間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時間；
Udrop(V)：在放電或大電流脈沖結(jié)束時，總的電壓降；
I(A)：負(fù)載電流；
瞬時功率保持應(yīng)用
超電容容量的近似計算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。
保持期間所需能量=1/2I(Uwork+Umin)t；
超電容減少能量=1/2C(Uwork2-Umin2)，
因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+Umin)t/(Uwork2-Umin2)
實例：
假設(shè)磁帶驅(qū)動的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么，根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5F。因為5V的電壓超過了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話，那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器－20％的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。在該實例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。
脈沖功率應(yīng)用脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時大電流相對的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時間從1ms到幾秒。設(shè)計分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時壓降。關(guān)系如下：Udrop=I（R+t/C），上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。
對于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻Ｒ可以用直流ESR估計，標(biāo)稱是0.075Ohms（DCESR=ACESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms）。額定容量是1.5F。對于一個0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms，顯然R（0.090Ohms）決定了上式的Udrop輸出。
實例：
GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。
選擇超級電容器（C：0.15F,ACESR：0.200Ohms,DCESR：0.250Ohms）。對于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I（t/C）=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。
結(jié)論不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計算。當(dāng)電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時，可以用相同的電容器串聯(lián)。一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配。在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。
