超级电容器应用介绍

刘革菊， 董立新

(国营第785厂，山西太原030024)

1954年，Becker首先提出了关于双电层超级电容器的专利，之后超级电容器步入商业化阶段，在数字电路和大功率应用中迅速扩大。2000年以后，随着超级电容器的制造技术日益完善，材料研究不断取得进展，超级电容器的应用得到快速的发展，成为新能源领域的重要技术发展方向。

1 超级电容器的基本原理、特点和主要性能指标

1.1 超级电容器原理

根据经典的平板电容理论，超级电容器容量计算公式如下:

式中，A为表面积;d为电介质的厚度;εr为介质常数。

超级电容器又叫双电层电容器。其基本原理和微观结构分别如图1所示:

图1 超级电容器基本原理和微观结构图

由图1可知超级电容器的结构特点:

(1)超级电容器采用双层结构形式，而传统电容器为单层结构，加大表面积(A);

(2)超级电容器采用多孔碳材料，其面积可达到2 000 m2/g以上，实现了更大的表面积(A);

(3)超级电容器电荷分离开的距离d＜10Å，比传统电容器薄膜材料的距离更小。

1.2 超级电容器工作特性

超级电容器的特点和优点体现在以下几个方面:

(1)具有法拉级的超大电容量:目前单体超级电容器的最大电容量可达5 000 F;

(2)充放电寿命长:超级电容器循环寿命可达1 000 000次;

(3)低阻抗，可提供很高的放电电流:如2 700 F的超级电容器额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1 680 A;

(4)迅速充电:超级电容器可以在数十秒到数分钟内快速充电;

(5)工作温度范围宽:可在－40℃ ～+70℃正常工作;(6)无污染，真正免维护;

(7)在额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出;

(8)荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数。

1.3 超级电容器的主要性能指标

主要性能指标有:容量、内阻、漏电流、高低温特性、循环寿命、能量密度、功率密度等。

(1)容量:电容器存储的容量，单位为F。

(2)内阻:分为直流内阻和交流内阻，单位为mΩ。

(3)漏电流:恒定电压下一定时间后测得的电流，单位为mA。

(4)能量密度:是指单位重量或单位体积的电容器所给出的能量，单位为Wh/kg或Wh/L。

(5)功率密度:单位重量或单位体积的超级电容器所给出的功率，表征超级电容器所承受电流的大小，单位为W/kg或W/L。

(6)循环寿命:超级电容器经历一次充电和放电，称为一次循环。可超过一百万次。

2 超级电容器模组设计原理

2.1 超级电容的选择标准

超级电容的选型和数量配置需要根据不同的应用来判断，选择要素包括最大和最小工作电压、平均电流、平均功率、峰值电流、峰值功率、工作环境温度、运行时间、寿命等。当电路的工作电压超过超级电容的工作电压时，可以用相同的电容器串联。

最大工作电压为Vmax(单位为伏特)，而单只超级电容的额定电压为VR(单位为伏特)，则需要串联的超级电容的数量的计算公式为:

平均电流为i(单位为安培)、运行时间为t(单位为秒)、最小工作电压为Vmin(单位为伏特)，通过下面的公式，可计算出系统所需要的电容容值的近似值。

系统电容值与串并联的电容之间的关系用下面的公式表示:

图2为超级电容器模组爆炸图。

2.2 超级电容器模组设计原理

超级电容器由于自身的容量、内阻和漏电流在生产过程中或多或少存在着一定的差异，在由超级电容器单体通过串并联的方式组合成超级电容器模组时，所进行的系统集成化工作需通过超级电容器管理系统(UMS)来实现对超级电容器模组的整体控制。

超级电容模组采用主动均压的方式，即电压阈值均衡方法，原理图见图3。其原理为:超级电容器模组ANODE与NAGATIVE两端电压通过R130和R134分压后送入U1的输入端进行检测，当超级电容器模组R134分压超过阈值，U1动作驱动MOS管Q1动作，电流流过R131与Q1实现电压均衡。

这种方法优点是:过压或电压达到设定阈值开启旁路，通过R131对电压高的单体进行放电均衡，电流消耗较小，通过MOS管的选用，可实现较大电流的均衡。

图2 超级电容器模组爆炸示意图

图3 均压原理图

3 超级电容工作原理

超级电容器的两个主要应用:高功率脉冲应用和瞬时功率保持。

高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流，工作原理见图4。

图4 超级电容提供功率脉冲示意图

瞬时功率保持应用的特征:要求持续向负载提供功率，持续时间一般为几秒或几分钟，工作原理见图5［2］。

图5 超级电容用作瞬时峰值功率电源的工作模式

4 超级电容器应用

4.1 高功率脉冲应用

设计分析:假定脉冲期间超级电容是唯一的能量提供者，总的压降由两部分组成:超级电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下:

上式表明:要得到小的Udrop，电容器必须有低的内阻R和高的容量C。

以电容器2.5 V1.5 F 为例，其标称内阻 R=0.075 Ohms，额定容量 C=1.5F。

如果脉冲 t=0.001s，t/C=0.001/1.5=0.000 67 Ohms≪0.075 Ohms;

如果脉冲 t=0.01 s，t/C=0.01/1.5=0.006 7 Ohms≪0.075 Ohms。

显然R(0.075 Ohms)决定了上式的Udrop输出。

对于多数脉冲功率应用，R的值比C更重要。

实例:

无线调制解调器需要间隔4.6 ms输出2 A电流0.6 ms持续时间的脉冲。功率放大器要求最小电压为3.0 V，最大工作电压为3.6 V，允许的压降是 0.6 V。

选择超级电容器(C=1.5F，AC ESR=0.200 Ohms，DC ESR=0.250 Ohms)。对于2 A脉冲，电池提供大约1 A，超级电容提供剩余的1 A。

根据上面的公式，由内阻引起的压降:1 A×0.25 Ohms=0.25 V;

由电容C引起的压降:I(t/C)=1×(0.6/1000×1.5)=0.04 V

因此在脉冲功率应用要选择合适的超级电容器内阻。

4.2 瞬时功率保持应用

高功率脉冲应用是利用超级电容较小的内阻(R)，而瞬时功率保持是利用超级电容大的静电容量(C)。下面是瞬时功率保持应用的计算公式和应用实例:

C(F):超级电容的标称容量;

R(Ohms):超级电容的标称内阻;

ESR(Ohms):1 kZ下等效串联电阻;

Uwork(V):在电路中正常工作电压;

Umin(V):最小工作电压;

t(s):要求保持时间;

Udrop(V):总的电压降;

I(A):负载电流;

根据:保持所需能量=超级电容减少能量，可以得到超级电容器容量的近似计算公式。

保持所需能量=1/2I(Uwork+Umin)t;

超级电容减少能量=1/2C(Uwork

2－Umin

2)，

因而，可得其容量(忽略由IR引起的压降)

C=(Uwork+Umin)It/(Uwork

2－Umin

2)

实例:

在某随动系统中，系统由220 V交流母线、超级电容充器(功率1 000 W)、超级电容模组、伺服控制器和伺服电机组成。由220 V交流母线通过超级电容充器给超级电容模组充电，当超级电容模组充电至额定工作电压360 V后，转为恒压充电模式，保持超级电容模组的工作电压;当伺服电机需要启动时，由超级电容模组放电驱动伺服控制器，由伺服控制器驱动伺服电机完成工作。电机峰值功率为8 kW，持续工作4 s。

针对设计输入中提到的360 V工作电压，可用90 V/9.6 F标准模组4组串联。

根据设计输入要求，则需要超级电容器放电总能量:

超级电容器模组预设为90 V/9.6F模块串联4组，组成360 V/2.4F模组，最高内阻＜400 mΩ。则在最高电压时，工作电流为I=8 kW/360 V=22.2 A.

因内阻造成的电压降U内阻=I×r=22.2 A×400 mΩ=8.9 V .

最大电流出现在工作电压 =310 V，最大电流为I=8 kW/310 V=25.8 A .

则超级电容模组工作到310V时，最多可释放能量为:

此释放功率和能量为90 V/9.6F标准模组可承受范围内。

因此，系统可设计为由90 V/9.6F标准模组经过4组串联的方式组合成360 V/2.4F超级电容储能系统。

5 结论

超级电容器已应用于计算机电子、消费电子、工业电子、汽车电子、新能源和军事领域，相信随着碳材料的进步，制备技术的完善，能量密度的提升，体积的缩小，价格的降低，超级电容器将会得到越来越广泛的应用。

［1］马奎安，陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计［J］.机电工程，2010(7):85 －88.