上期回顧：電容選型與應用知識系列大講臺—電解電容應用選型篇（一）
電容選型與應用知識系列大講臺—電解電容應用選型篇（二）
中心議題：
- 超級電容器原理
- 超級電容的主要特點、優(yōu)缺點
- 如何選擇超級電容器
- 超級電容的典型應用—備用電源
- 超級電容提供峰值功率的應用案例
- 超級電容器與蓄電池組合改善汽車啟動性能
超級電容以高達數千法拉的電容值和快速充放電速率而聞名于世。超級電容以前主要用于大功率電源和大型工業(yè)與消費類電源設備，如今在各種尺寸的產品、特別是便攜式設備中也找到了用武之地。
由于能夠長時間存儲大量的電能，超級電容表現(xiàn)得更像是電池而不是一個標準電容。事實上，隨著技術的進步，它們將替代眾多產品中的可充電電池，從計算機、數碼相機、手機到其它手持設備。
一、超級電容器原理
超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、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(fā)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。
簡單地說，超級電容是一種非常大的極化電解質電容。這里的‘大’指的是容量，而不是它們的物理尺寸。
超級電容器是一種電容量可達數千法拉的電容量極大的電容器。根據電容器的原理,電容量取決于電極間距離和電極表面積,為了得到如此大的電容量,超級電容器盡可能地縮小電極間距離、增加電極表面積。為此采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極,超級電容器的結構如圖1。雙電層介質在電容器兩電極施加電壓時，在靠近電極的電介質界面上產生與電極所攜帶電荷相反的電荷并被束縛在介質界面上，形成事實上的電容器的兩個電極如圖2，很明顯兩電極的距離非常小,僅幾納米,同時活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可以達到200m²/克。因而這種結構的超級電容器具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量。就儲能而言，超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。
當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下）,如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時,電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應。因此性能是穩(wěn)定的,與利用化學反應的蓄電池是不同的。
超級電容器結構上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應用和使用。由于制造商或特定的應用需求，這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。
超級電容器的部件從產品到產品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結構決定的。對于棱形或正方形封裝產品部件的擺放，內部結構是基于對內部部件的設置，即內部集電極是從每個電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器外的電流路徑。對于圓形或圓柱形封裝的產品，電極切割成卷軸方式配置。最后將電極箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴展。
延伸閱讀：超級電容器基本原理及性能特點
替代能源中的超級電容器介紹
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二、超級電容的主要特點、優(yōu)缺點
盡管超級電容器能量密度是蓄電池的5%或是更少，但是這種能量的儲存方式可以應用在傳統(tǒng)蓄電池不足之處與短時高峰值電流之中。相比電池來說,這種超級電容器有以下幾點優(yōu)勢：
1.電容量大，超級電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加,根據電容量的計算公式,兩極板的表面積越大,則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F,它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3～4個數量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達5000F。
2.充放電壽命很長，可達500000次,或90000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次;可以提供很高的放電電流，如2700F的超級電容器額定放電電流不低于950A,放電峰值電流可達1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流，一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。
3.可以數十秒到數分鐘內快速充電，而蓄電池在如此短的時間內充滿電將是極危險的或是幾乎不可能。
4.可以在很寬的溫度范圍內正常工作（-40℃～+70℃），而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作;超級電容器用的材料是安全和無毒的,而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池均具有毒性;而且,超級電容器可以任意并聯(lián)使用來增加電容量,如采取均壓措施后,還可以串聯(lián)使用。
因此，可以用簡短的詞語總結出超級電容的優(yōu)點 ：
- 在很小的體積下達到法拉級的電容量；
- 無須特別的充電電路和控制放電電路
- 和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；
- 從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；
- 超級電容器可焊接，因而不存在象電池接觸不牢固等問題。
缺點 ：
- 如果使用不當會造成電解質泄漏等現(xiàn)象；
- 和鋁電解電容器相比，它內阻較大，因而不可以用于交流電路。
三、如何選擇超級電容器
很多用戶都遇到相同的問題，就是怎樣計算一定容量的超級電容在以一定電流放電時的放電時間，或者根據放電電流及放電時間，怎么選擇超級電容的容量，下面我們給出簡單的計算公司，用戶根據這個公式，就可以簡單地進行電容容量、放電電流、放電時間的推算，十分地方便。
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(xù)向負載提供功率，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(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用中的脈沖持續(xù)時間；
I(A)： 負載電流； Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結束時，總的電壓降；
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)
如單片機應用系統(tǒng)中，應用超級電容作為后備電源，在掉電后需要用超級電容維持100mA的電流，持續(xù)時間為10s,單片機系統(tǒng)截止工作電壓為4.2V，那么需要多大容量的超級電容能夠保證系統(tǒng)正常工作？
由以上公式可知：
工作起始電壓 Vwork＝5V；工作截止電壓 Vmin＝4.2V；工作時間 t=10s；工作電源 I＝0.1A所需電容容量為：
C=(Vwork+ Vmin)It/( Vwork2 -Vmin2)
=(5+4.2)*0.1*10/(52 -4.22)
=1.25F
根據計算結果，可以選擇5.5V 1.5F電容就可以滿足需要了。
超級電容容量選擇實例：
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0.5 F。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(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)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。
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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(xù)電流。脈沖功率應用的持續(xù)時間從1ms 到幾秒。設計分析假定脈沖期間超級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：Udrop=I(R+t/C)，它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(DC ESR=AC ESR*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(xù)0.6 ms。這種調制解調器現(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,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：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。
總結
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級電容的工作電壓時，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(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。
延伸閱讀：超級電容的典型應用與選型
聚焦超級電容選型與應用
四、超級電容的典型應用—備用電源
超級電容可以用做后備電源，類似于UPS，在系統(tǒng)突然斷電后，負責在極短時間內為系統(tǒng)提供能量。在這種應用中，需要后備電源有快速的啟動時間。由于超級電容是物理反應的方式儲存電能，充放電速度快，相對電池有著更為快速的響應時間。
電池的充放電大概在1小時到10個小時左右，而傳統(tǒng)用于濾波的電容，充放電在0.03秒，超級電容充放電在1秒左右，基本上是從0.1秒到10秒，這個時間正好是汽車、吊車剎車或啟動的時間，其他設備比如風力發(fā)電中，風輪機變槳的時候要提供能量也是在這個時間段。
在風力發(fā)電風輪機變槳時、機車、電動機、汽車、吊車啟動時需要的能量遠大于其正常工作時需要的能量，超級電容可以輔助電池、發(fā)動機等動力系統(tǒng)提供峰值功率，從而減輕電池或發(fā)動機的負擔。沒有超級電容時，在負載啟動、維持運行和終止的過程中，能量全部由電池或發(fā)動機供給。如果加入了超級電容，負載啟動 時需要的峰值功率可以由超級電容承擔。
在機車、電動機、汽車、吊車剎車時，超級電容可以重新捕獲能量。這樣，加入了超級電容做輔助電源，可以提高能量利用效率，延長電池或發(fā)動機壽命。同時相對于沒有超級電容的動力系統(tǒng)，電池或發(fā)動機不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下圖是超級電容輔助電池、發(fā)動機的工作模式示意圖。
延伸閱讀：超級電容器在電動車上的應用
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五、超級電容提供峰值功率的應用案例
集裝箱龍門吊車使用柴油機做動力，當龍門下來的時候有一個動能，通常是通過剎車電阻耗散動能，剎車電阻是個耗能電阻，把電變成熱耗散掉。如果使用了 超級電容，剎車的動能可以轉換成電能，通過一定的電路充電到超級電容里面去，反過來當龍門上升的時候通過一定的逆行電路把超級電容的能量反饋到電機里面。
由于使用了超級電容提供峰值功率，柴油機只需要提供維持運行的較小的功率，因而柴油機的尺寸可以減小一半，同時節(jié)省了成本。類似的應用還包括叉車、混合動力汽車、輕軌或地鐵。
自動抄表系統(tǒng)抄表時，數據發(fā)送需要非常大的能量，超級電容能夠提供大的能量。下圖是Maxwell超級電容在智能電表上的應用，超級電容取代鋰離子電池，壽命可以延長一倍，占版面積比鋰離子電池小。在自動抄表系統(tǒng)中的水表和氣表中，超級電容配合電池，延長使用壽命。
延伸閱讀：超級電容將替代可充電電池
超級電容器太陽能草坪燈的設計與實現(xiàn)
六、超級電容器與蓄電池組合改善汽車啟動性能
1 蓄電池存在的問題
蓄電池是汽車中的關鍵的電器部件,其性能直接影響汽車的啟動。現(xiàn)在的汽車啟動無一例外地采用啟動電動機啟動方式。在啟動過程中特別是在啟動瞬間,由于啟動電動機轉速為零,不產生感生電勢,故啟動電流為：1=E/Rm+Rs+Rl，其中：E為蓄電池空載端電壓,RM為啟動電動機的電樞電阻、RB為蓄電池內阻、RL為線路電阻。
由于RM、RB、RL均非常低,啟動電流非常大。例如用12V、45Ah的蓄電池啟動安裝1.9升柴油機的汽車,蓄電池的電壓在啟動瞬間由12.6V降到約3.6V！啟動過程的蓄電池電壓波形如圖1;啟動瞬時的電流達550A,約為蓄電池的12C的放電率！啟動過程的蓄電池電流波形如圖2,（電流傳感器的電流/電壓變換比率：100A/V）。盡管車用蓄電池是啟動專用蓄電池,可以高倍率放電,但在圖1中可以看出,10倍以上的高倍率放電時的蓄電池性能變得很差,而且,如此高倍率放電對蓄電池的損傷也是非常明顯的。啟動過程的電壓劇烈變化也是極強的電磁干擾,可以造成電氣設備的“掉電”,迫使電氣設備在發(fā)電機啟動過程結束后重新上電,計算機在這個過程中非常容易死機。因此,無論從改善汽車電氣設備的電磁環(huán)境還是改善汽車的啟動性能和蓄電池的性能、延長使用壽命來考慮,改善汽車電源在啟動過程的性能是必要的。
問題的解決方案可以加大蓄電池的容量,但需要增加很多,使體積增大,這并不是好的解決方案。將超級電容器與蓄電池并聯(lián)可以很好地解決這個問題。
2.電性能的改善
采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時啟動過程的電壓波形如圖3,電流波形如圖4。與圖1、圖2相比啟動瞬間電壓跌落由僅采用蓄電池時的3.2V提升到7.2V;啟動電流從560A提高到1200A;啟動瞬時的電源輸出功率從2kW提高到8.7kW;啟動過程的平穩(wěn)電壓由7V提高到9.4V;啟動過程的平穩(wěn)電流由280A提高到440A;啟動過程的電源平穩(wěn)輸出功率從2.44kW提高到4.12kW。
3 啟動性能的改善
超級電容器與蓄電池并聯(lián)應用可以提高機車的啟動性能,將超級電容（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)啟動安裝1.9升柴油機的汽車,在10攝氏度時平穩(wěn)啟動,盡管在這種情況中,當不連接超級電容器,蓄電池也可以啟動,但采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時啟動電動機的速度和性能都非常得好。由于電源的輸出功率的提高,啟動速度由僅用蓄電池時的啟動速度300rpm,增加到450rpm;尤其在提高汽車在冷天的起動性能（更高的起動轉矩）上,超級電容器是非常有意義的,在零下20攝氏度時,由于蓄電池的性能大大下降,很可能不能正常啟動或需多次啟動才能成功,而超級電容器與蓄電池并聯(lián)時則僅需一次點火。其優(yōu)點是非常明顯的。
4 對蓄電池應用狀態(tài)的改善
超級電容器與蓄電池并聯(lián)時,由于超級電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）遠低于蓄電池的內阻,因此,在啟動瞬間1200A啟動電流中的800A電流由超級電容器提供,蓄電池僅提供400A的電流。明顯低于僅采用蓄電池的560A,有效地降低了蓄電池極板的極化,阻止了蓄電池內阻的上升使啟動過程的平穩(wěn)電壓得到提高。最主要的是蓄電池極板極化的減輕不僅有利于延長蓄電池的使用壽命,而且也可以消除頻繁啟動對蓄電池壽命的影響。
延伸閱讀：超級電容器改善汽車啟動性能
替代氙氣閃光的超級電容LED閃光燈方案
第四講預告：
許多工程師都知道濾波電容在電源中起的作用，但在開關電源輸出端用的濾波電容上，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，下一講我們針對電源設計中電容選型及電容濾波技術，通過實例分析幫助電源工程師了解電容在電源設計中的重要作用…
電容選型與應用知識系列大講臺—電源設計中的電容應用實例
