超級電容的選用及其常見應(yīng)用電路性能比較

黃峰 黃鵬 王亞洲

摘? 要：超級電容又常稱法拉電容和雙電層電容等，由于其具有功率密度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在一些領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。但對于初次使用的工程技術(shù)人員而言，需要系統(tǒng)全面的了解超級電容的概況、選用、測試和應(yīng)用方法。文章從實(shí)際出發(fā)，圍繞以上要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)全面的介紹，并提供了具體的真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例，希望對工程技術(shù)人員的選用提供一定的借鑒參考。

關(guān)鍵詞：超級電容;法拉電容;超級電容選用;超級電容應(yīng)用電路

中圖分類號(hào)：TM53? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0067-02

Abstract： Super capacitors， also known as farad capacitors and double-layer capacitors， are widely used in some fields because of their high power density and long service life. But for the first time， engineers and technicians need to understand the general situation， selection， testing and application methods of the super capacitor. Starting from the reality， this paper makes a detailed and comprehensive introduction of these points， and provides a specific design case in real product， hoping to provide some reference for the selection of technicians.

Keywords： super capacitor; farad capacitor; super capacitor selection; circuit of super capacitor application

1 超級電容的定義、作用和優(yōu)點(diǎn)

超級電容器又稱法拉電容、黃金電容、雙電層電容、電化學(xué)電容器等，最早開始研發(fā)超級電容的時(shí)間可以追溯到上世紀(jì)七八十年代，是一種可以存儲(chǔ)大量電荷的電容，其單體最高容量可達(dá)五千法拉[1]。

超級電容顯著優(yōu)點(diǎn)在于：（1）功率密度高，其功率密度是普通電池的10-100倍，可達(dá)10kW/kg。具有大電流充放電的特性，因此充電速度也快，一般在幾十秒至數(shù)分鐘內(nèi)可以充到其額定容量的95%以上[2]。（2）能量密度高，可達(dá)1-5kW/kg，此參數(shù)不及鋰電池，故儲(chǔ)能效果劣于普通電池，但比傳統(tǒng)電容器高1個(gè)數(shù)量級。（3）使用壽命長，超級電容的充放電次數(shù)壽命可達(dá)1萬至10萬次，而普通二次電池則一般最高在1000次左右[3]。（4）低溫性能優(yōu)，產(chǎn)品普遍可在-40至70攝氏度之間工作，而普通電池的低溫衰減特性非常明顯。（5）環(huán)保無污染，超級電容整個(gè)生產(chǎn)過程鏈條中污染小，尤其是碳基電容，成本低，綠色環(huán)保[4]。（6）可以通過串聯(lián)、并聯(lián)的方式提高端電壓或增加容量?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，超級電容在純電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車增加瞬間功率、智能電網(wǎng)提供短時(shí)供電和緩沖能量、工業(yè)設(shè)備和小型電子設(shè)備等場合中都得到了廣泛的應(yīng)用。

2 超級電容的種類、規(guī)格及性能指標(biāo)

超級電容按其工作原理可分為雙電層超級電容、法拉第準(zhǔn)超級電容及混合型超級電容，按體積和制造工藝可分為紐扣型、卷繞型和大型三種，紐扣型容量通常在5F以下，卷繞型容量一般在5～200F之間，大型則為200F以上[5]。另外也可根據(jù)電解液種類、活性材料類型等進(jìn)行分類。單體超級電容的耐壓一般不超過2.7V。

由于功率密度受限、研究成果推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化速度較慢等原因，目前大規(guī)模生產(chǎn)的超級電容主要采用雙電層結(jié)構(gòu)?！半p電層”名稱的來源是當(dāng)電容的兩極施加電壓之后，電容的兩極會(huì)分別吸附電解液中的正負(fù)離子以極小的間隙排列，從而形成類似“雙層”的電荷層界面，故稱為雙電層。在超級電容的選擇過程中，應(yīng)注重電容的額定容量、額定電壓、ESR、額定電流和功率密度等重要參數(shù)。同時(shí)在頻繁快速充放電的場合，由于超級電容易發(fā)熱導(dǎo)致電容被擊穿燒毀，則不宜采用。

3 常見超級電容的選用原則及測試方法

超級電容的額定電壓、額定電流需根據(jù)應(yīng)用場景選擇，對應(yīng)的ESR則需同時(shí)估計(jì)負(fù)載的等效電阻，所選電容ESR越小代表所能輸出的功率越大，工作效率越高，可以采用數(shù)字電橋調(diào)節(jié)到指定頻率進(jìn)行測量。

至于超級電容容量的選擇標(biāo)準(zhǔn)，則可以借鑒如下計(jì)算方法。第一種情況是恒電流輸出模式，由于電流乘以時(shí)間是電容器初始和放電結(jié)束之間的電量差，可以推導(dǎo)出電容量的計(jì)算公式為C=（式1），其中I為恒電流輸出模式時(shí)的電流大小，t為電容所要求供電的時(shí)間，U為電容放電時(shí)的初始電壓，U為電容放電結(jié)束時(shí)所應(yīng)具備的電壓。第二種情況是恒功率輸出模式，可以根據(jù)功率乘以時(shí)間等于電容初始和放電結(jié)束之間的電能差，推導(dǎo)出C=（式2），各符號(hào)代表的物理意義同前所述。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于電容制造偏差及電路損耗等各因素，在選用時(shí)應(yīng)比理論計(jì)算偏大，這是一種保險(xiǎn)的做法。

而超級電容的容量，則可以采用恒流放電法、放電能量法和時(shí)間常數(shù)法等進(jìn)行測試[6]。恒流放電法是指搭建恒流放電裝置，先將電容在額定電壓下充電并保持30分鐘，后通過式1進(jìn)行電壓和電流測量記載并進(jìn)行運(yùn)算的方式得到容值。放電能量法在實(shí)施時(shí)也是先將電容在額定電壓下充電并保持足夠時(shí)間，后通過恒阻放電，期間不斷采集電路所消耗的功率，將這些功率數(shù)值對時(shí)間進(jìn)行積分就是該時(shí)間段內(nèi)電容所存儲(chǔ)的能量，后可參考式2將功率以計(jì)算數(shù)值代入，也可大致求得容值大小。時(shí)間常數(shù)法則是通過測量充電時(shí)間常數(shù)或放電時(shí)間常數(shù)的方法計(jì)算容值。不難看出，在實(shí)驗(yàn)裝置及過程要求等方面，恒流放電法較為簡易。

4 超級電容常見應(yīng)用電路簡介及性能比較

在實(shí)際使用時(shí)，由于出廠超級電容的容量、漏電流、ESR的不統(tǒng)一，導(dǎo)致超級電容在串并聯(lián)使用時(shí)需做均壓均流處理。超級電容并聯(lián)一般是為了達(dá)到提高儲(chǔ)能的作用，相同電壓充電時(shí)容值可以不同，但要注意各個(gè)電容之間的電流平衡問題以及相互隔離，可以考慮采用二極管等元件搭建電路避免由于放電后電勢差產(chǎn)生的相互反向充電。

在實(shí)際中使用更多是將超級電容以串聯(lián)形式進(jìn)行組合以提高端電壓，但超級電容的串聯(lián)需要考慮電壓均衡，常見的均衡方案可分為能耗型和回饋型兩類[7]?，F(xiàn)將這些方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行羅列對比，見表1。

雖然能耗型均壓方案有一定的能量損耗，但鑒于其簡單和低成本的特點(diǎn)，在許多簡單控制領(lǐng)域得到了廣泛使用?，F(xiàn)提供一個(gè)基于能耗型均衡方案的具體設(shè)計(jì)案例供參考借鑒，本電路已在實(shí)際產(chǎn)品中得以運(yùn)用，見圖1。

實(shí)際電路中，超級電容1和超級電容2為兩個(gè)標(biāo)稱1.5F、耐壓2.7V的超級電容。超級電容通過受控電源進(jìn)行恒壓充電。該設(shè)計(jì)借鑒開關(guān)電阻均衡法的原理，通過電壓監(jiān)測單元（本案例使用STM1061N27WX6F芯片）監(jiān)測電容兩端的電壓變化，同時(shí)輸出對應(yīng)電平控制后端MOS管打開或關(guān)閉，從而控制電阻網(wǎng)絡(luò)對電容進(jìn)行放電或充電。此外，本方案具備電容擊穿防護(hù)功能，若超級電容工作中發(fā)生擊穿傾向，可通過電流采集和放大電路控制MOS管來關(guān)閉受控電源，有效保護(hù)電容和電路。該均衡電路不僅電路簡單，而且可靠性高，可在小功率充放電控制電路中借鑒采用。

5 結(jié)束語

雖然超級電容也存在能量密度遠(yuǎn)低于電池、成本偏高等缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)同樣突出。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，較為系統(tǒng)的介紹了超級電容的功能、類別、選用原則和測試方法，較為詳細(xì)的介紹了超級電容串并聯(lián)應(yīng)用電路的特性和注意點(diǎn)，并給出了具體的設(shè)計(jì)案例。對于計(jì)劃采用超級電容進(jìn)行蓄電方案設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，具有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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