超級(jí)電容器是一種通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)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(guò)程是可逆的,可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)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最大的一種。
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(shuí)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,其中最高工作電壓、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 Voltage
超級(jí)電容器具有一個(gè)推薦的工作電壓或者最佳工作電壓,這個(gè)值是根據(jù)電容在最高設(shè)定溫度下最長(zhǎng)工作時(shí)間來(lái)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(guò)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(guò)壓對(duì)電容而言是可以容忍的。
極性 Polarity
超級(jí)電容器采用對(duì)稱(chēng)電極設(shè)計(jì),也就說(shuō),他們具有類(lèi)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,一旦電容被第一次100%從滿(mǎn)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 Ambient Temperature
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(shuō),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,此變化是永久的,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)榈蜏叵拢娊庖菏丘ぽq性升高,降低了離子的運(yùn)動(dòng)速度。
放電 Disge Characteristics
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 Charge Methods
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(méi)有經(jīng)過(guò)電阻,否則電容是低電阻特性將是無(wú)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。一只電容最大的推薦充電電流計(jì)算公式如下:
I=Vw/5R
其中I是推薦的最大充電電流,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(guò)壓充電。會(huì)引起電容發(fā)熱,過(guò)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
Self Discharge and Leakage Current
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(méi)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(méi)有被充滿(mǎn),低內(nèi)阻的超級(jí)電容開(kāi)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(mǎn)所需的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。
電容串聯(lián)
Series Configurations of Super capacitors
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(lái)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(guò)其最大的耐壓,一旦長(zhǎng)期過(guò)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(lái)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
Passive Voltage Balancing
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(guò)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)增大。
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,取決于電容的最高操作溫度),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
Active Voltage Balancing
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)在確保精確的電壓平衡時(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)
Reverse Voltage Protection
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(guò)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
Ripple Current
雖然超級(jí)電容器具有比較低的內(nèi)阻,對(duì)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),最好保證電容表面的溫度上升不超過(guò)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(wú)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(hù)的應(yīng)用有關(guān),長(zhǎng)期過(guò)溫(溫度)過(guò)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)電容器具有于普通電解電容類(lèi)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。