鉅大LARGE | 點擊量：1322次 | 2019年04月27日
超級電容器工作原理應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，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。
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，反復地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導致斷路。
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（由于電極的特殊結構它們實際上得花上數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。傳統電容器的面積是導體的平板面積，為了獲得較大的容量，導體材料卷制得很長，有時用特殊的組織結構來增加它的表面積。傳統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，該材料的多孔結夠允許其面積達到2000m/g，通過一些措施可實現更大的表面積。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離子尺寸決定的。該距離（<10A）和傳統電容器薄膜材料所能實現的距離更小。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防爆標準
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，在使用前應確認極性。
2、超級電容器應在標稱電壓下使用：當電容器電壓超過標稱電壓時，將會導致電解液分解，同時電容器會發熱，容量下降，而且內阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導致電容器性能崩潰。
3、超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導致電容器內部發熱，容量衰減，內阻增加，在某些情況下會導致電容器性能崩潰。
4、超級電容器的壽命：外界環境溫度對于超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應盡量遠離熱源。
5、當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阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降，？V=IR。
6、使用中環境氣體：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，這些環境下會導致引線及電容器殼體腐蝕，導致斷路。
7、超級電容器的存放：超級電容器不能置于高溫、高濕的環境中，應在溫度-30+50℃、相對濕度小于60%的環境下儲存，避免溫度驟升驟降，因為這樣會導致產品損壞。
8、超級電容器在雙面線路板上的使用：當超級電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導致短路現象。
9、當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，對電容器性能產生影響。
10、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導致電容器引線松動，導致性能劣化。
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過熱現象，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，焊接過程應為260℃，時間不超過5s。
12、焊接后的清洗：在電容器經過焊接后，線路板及電容器需要經過清洗，因為某些雜質可能會導致電容器短路。
13、將電容器串聯使用時：當超級電容器進行串聯使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯會導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，故在電容器進行串聯使用時，需得到廠家的技術支持。
14、其他：在使用超級電容器的過程中出現的其他應用上的問題，請向生產廠家咨詢或參照超級電容器使用說明的相關技術資料。
超級電容器的兩個主要應用：高功率脈沖應用和瞬時功率保持。高功率脈沖應用的特征：瞬時流向負載大電流；瞬時功率保持應用的特征：要求持續向負載提供功率，持續時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應用：斷電時磁盤驅動頭的復位。不同的應用對超級電容的參數要求也是不同的。高功率脈沖應用是利用超電容較小的內阻（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用：高功率脈沖應用和瞬時功率保持。高功率脈沖應用的特征：瞬時流向負載大電流；瞬時功率保持應用的特征：要求持續向負載提供功率，持續時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應用：斷電時磁盤驅動頭的復位。不同的應用對超電容的參數要求也是不同的。高功率脈沖應用是利用超電容較小的內阻（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用實例：
C(F)：超電容的標稱容量；
R(Ohms)：超電容的標稱內阻；
ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯電阻；
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用中的脈沖持續時間；
Udrop(V)：在放電或大電流脈沖結束時，總的電壓降；
I(A)：負載電流；
瞬時功率保持應用
超電容容量的近似計算公式，該公式根據，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：
假設磁帶驅動的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么，根據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稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯。如兩相同的電容器串聯的話，那每只的電壓即是其標稱電壓2.5V。如果我們選擇標稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F。考慮到電容器－20％的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量。可以選擇標稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F。考慮－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，磁帶驅動轉入小電流工作模式，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。
脈沖功率應用脈沖功率應用的特征：和瞬時大電流相對的較小的持續電流。脈沖功率應用的持續時間從1ms到幾秒。設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：由電容器內阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結束時壓降。關系如下：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。
對于多數脈沖功率應用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內阻Ｒ可以用直流ESR估計，標稱是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無線調制解調器需要一每間隔4.6ms達2A的電流，該電流持續0.6ms。這種調制解調器現用在筆記本電腦的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。根據上面的公式，由內阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I（t/C）=0.04V它和由內阻引起的壓降相比是小的。
結論不管是功率保持還是功率脈沖應用都可以用上公式計算。當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。一般地，串聯應該保持平衡以確保電壓平均分配。在脈沖功率應用中由超電容內阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內阻提供一種克服傳統電池系統阻抗大的全新的解決方案。
