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(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)
• 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(chē)啟動(dòng)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(lèi)電源設備，如今在各種尺寸的產(chǎn)品、特別是便攜式設備中也找到了用武之地。

由于能夠長(cháng)時(shí)間存儲大量的電能，超級電容表現得更像是電池而不是一個(gè)標準電容。事實(shí)上，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，它們將替代眾多產(chǎn)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(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應，這種儲能過(guò)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(wàn)次。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，超級電容是一種非常大的極化電解質(zhì)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(zhì)在電容器兩電極施加電壓時(shí)，在靠近電極的電介質(zhì)界面上產(chǎn)生與電極所攜帶電荷相反的電荷并被束縛在介質(zhì)界面上，形成事實(shí)上的電容器的兩個(gè)電極如圖2，很明顯兩電極的距離非常小,僅幾納米,同時(shí)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(shí)，電解液界面上電荷不會(huì )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(guò)電解液的氧化還原電極電位時(shí),電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著(zhù)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(guò)程始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應。因此性能是穩定的,與利用化學(xué)反應的蓄電池是不同的。                       

超級電容器結構上的具體細節依賴(lài)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(gè)正極，一個(gè)負極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來(lái)的兩個(gè)的孔隙。 

超級電容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)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(chǎn)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(gè)電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤(pán)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(chǎn)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(diǎn)
                  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(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)
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蓄電池不足之處與短時(shí)高峰值電流之中。相比電池來(lái)說(shuō),這種超級電容器有以下幾點(diǎn)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(guò)1F,它的出現使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3～4個(gè)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(cháng)，可達500000次,或90000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)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(shí)間內充滿(mǎn)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(wú)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(lái)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(jiǎn)短的詞語(yǔ)總結出超級電容的優(yōu)點(diǎn) ：

• 在很小的體積下達到法拉級的電容量；
• 無(wú)須特別的充電電路和控制放電電路
• 和電池相比過(guò)充、過(guò)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(wèn)題。

缺點(diǎn) ：

• 如果使用不當會(huì )造成電解質(zhì)泄漏等現象；
• 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(hù)都遇到相同的問(wèn)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(shí)的放電時(shí)間，或者根據放電電流及放電時(shí)間，怎么選擇超級電容的容量，下面我們給出簡(jiǎn)單的計算公司，用戶(hù)根據這個(gè)公式，就可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行電容容量、放電電流、放電時(shí)間的推算，十分地方便。

超級電容器的兩個(gè)主要應用：高功率脈沖應用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應用的特征：瞬時(shí)流向負載大電流；瞬時(shí)功率保持應用的特征：要求持續向負載提供功率，持續時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應用：斷電時(shí)磁盤(pán)驅動(dòng)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(shí)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(shí)例：
C(F)： 超電容的標稱(chēng)容量；                             R(Ohms)： 超電容的標稱(chēng)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(shí)間或脈沖應用中的脈沖持續時(shí)間；
I(A)： 負載電流；                                             Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結束時(shí)，總的電壓降；
 
瞬時(shí)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，持續時(shí)間為10s,單片機系統截止工作電壓為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(shí)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(mǎn)足需要了。

超級電容容量選擇實(shí)例：
假設磁帶驅動(dòng)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(guò)了單體電容器的標稱(chēng)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(huà)，那每只的電壓即是其標稱(chēng)電壓2.5V。如果我們選擇標稱(chēng)容量是1F 的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器－20％的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標稱(chēng)容量是1.5F 的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]－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(dòng)轉入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。在該實(shí)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(shí)大電流相對的較小的持續電流。脈沖功率應用的持續時(shí)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(shí)例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結束時(shí)壓降。關(guān)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(chēng)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(gè)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(shí)例：
GSM/GPRS 無(wú)線(xiàn)調制解調器需要一每間隔4.6ms 達2A 的電流，該電流持續0.6 ms。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,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(guò)超級電容的工作電壓時(shí)，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電池系統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(lèi)似于UPS，在系統突然斷電后，負責在極短時(shí)間內為系統提供能量。在這種應用中，需要后備電源有快速的啟動(dòng)時(shí)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(zhù)更為快速的響應時(shí)間。

電池的充放電大概在1小時(shí)到10個(gè)小時(shí)左右，而傳統用于濾波的電容，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(gè)時(shí)間正好是汽車(chē)、吊車(chē)剎車(chē)或啟動(dòng)的時(shí)間，其他設備比如風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)輪機變槳的時(shí)候要提供能量也是在這個(gè)時(shí)間段。

在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪機變槳時(shí)、機車(chē)、電動(dòng)機、汽車(chē)、吊車(chē)啟動(dòng)時(shí)需要的能量遠大于其正常工作時(shí)需要的能量，超級電容可以輔助電池、發(fā)動(dòng)機等動(dòng)力系統提供峰值功率，從而減輕電池或發(fā)動(dòng)機的負擔。沒(méi)有超級電容時(shí)，在負載啟動(dòng)、維持運行和終止的過(guò)程中，能量全部由電池或發(fā)動(dòng)機供給。如果加入了超級電容，負載啟動(dòng) 時(shí)需要的峰值功率可以由超級電容承擔。 

在機車(chē)、電動(dòng)機、汽車(chē)、吊車(chē)剎車(chē)時(shí)，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(cháng)電池或發(fā)動(dòng)機壽命。同時(shí)相對于沒(méi)有超級電容的動(dòng)力系統，電池或發(fā)動(dòng)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(dòng)機的工作模式示意圖。

延伸閱讀：超級電容器在電動(dòng)車(chē)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(mén)吊車(chē)使用柴油機做動(dòng)力，當龍門(mén)下來(lái)的時(shí)候有一個(gè)動(dòng)能，通常是通過(guò)剎車(chē)電阻耗散動(dòng)能，剎車(chē)電阻是個(gè)耗能電阻，把電變成熱耗散掉。如果使用了 超級電容，剎車(chē)的動(dòng)能可以轉換成電能，通過(guò)一定的電路充電到超級電容里面去，反過(guò)來(lái)當龍門(mén)上升的時(shí)候通過(guò)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(shí)節省了成本。類(lèi)似的應用還包括叉車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、輕軌或地鐵。

自動(dòng)抄表系統抄表時(shí)，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(cháng)一倍，占版面積比鋰離子電池小。在自動(dòng)抄表系統中的水表和氣表中，超級電容配合電池，延長(cháng)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(yáng)能草坪燈的設計與實(shí)現

六、超級電容器與蓄電池組合改善汽車(chē)啟動(dòng)性能

1 蓄電池存在的問(wèn)題
蓄電池是汽車(chē)中的關(guān)鍵的電器部件,其性能直接影響汽車(chē)的啟動(dòng)?，F在的汽車(chē)啟動(dòng)無(wú)一例外地采用啟動(dòng)電動(dòng)機啟動(dòng)方式。在啟動(dòng)過(guò)程中特別是在啟動(dòng)瞬間,由于啟動(dòng)電動(dòng)機轉速為零,不產(chǎn)生感生電勢,故啟動(dòng)電流為：1=E/Rm+Rs+Rl，其中：E為蓄電池空載端電壓,RM為啟動(dòng)電動(dòng)機的電樞電阻、RB為蓄電池內阻、RL為線(xiàn)路電阻。

由于RM、RB、RL均非常低,啟動(dòng)電流非常大。例如用12V、45Ah的蓄電池啟動(dòng)安裝1.9升柴油機的汽車(chē),蓄電池的電壓在啟動(dòng)瞬間由12.6V降到約3.6V！啟動(dòng)過(guò)程的蓄電池電壓波形如圖1;啟動(dòng)瞬時(shí)的電流達550A,約為蓄電池的12C的放電率！啟動(dòng)過(guò)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(chē)用蓄電池是啟動(dòng)專(zhuān)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(shí)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(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)程結束后重新上電,計算機在這個(gè)過(guò)程中非常容易死機。因此,無(wú)論從改善汽車(chē)電氣設備的電磁環(huán)境還是改善汽車(chē)的啟動(dòng)性能和蓄電池的性能、延長(cháng)使用壽命來(lái)考慮,改善汽車(chē)電源在啟動(dòng)過(guò)程的性能是必要的。  

問(wèn)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(gè)問(wèn)題。

2.電性能的改善 

采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)啟動(dòng)過(guò)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(dòng)瞬間電壓跌落由僅采用蓄電池時(shí)的3.2V提升到7.2V;啟動(dòng)電流從560A提高到1200A;啟動(dòng)瞬時(shí)的電源輸出功率從2kW提高到8.7kW;啟動(dòng)過(guò)程的平穩電壓由7V提高到9.4V;啟動(dòng)過(guò)程的平穩電流由280A提高到440A;啟動(dòng)過(guò)程的電源平穩輸出功率從2.44kW提高到4.12kW。

3 啟動(dòng)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(chē)的啟動(dòng)性能,將超級電容（450F/16.2V）與12V、45Ah的蓄電池并聯(lián)啟動(dòng)安裝1.9升柴油機的汽車(chē),在10攝氏度時(shí)平穩啟動(dòng),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(dòng),但采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)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(dòng)速度由僅用蓄電池時(shí)的啟動(dòng)速度300rpm,增加到450rpm;尤其在提高汽車(chē)在冷天的起動(dòng)性能（更高的起動(dòng)轉矩）上,超級電容器是非常有意義的,在零下20攝氏度時(shí),由于蓄電池的性能大大下降,很可能不能正常啟動(dòng)或需多次啟動(dòng)才能成功,而超級電容器與蓄電池并聯(lián)時(shí)則僅需一次點(diǎn)火。其優(yōu)點(diǎn)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(shí),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(dòng)瞬間1200A啟動(dòng)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(dòng)過(guò)程的平穩電壓得到提高。最主要的是蓄電池極板極化的減輕不僅有利于延長(cháng)蓄電池的使用壽命,而且也可以消除頻繁啟動(dòng)對蓄電池壽命的影響。

延伸閱讀：超級電容器改善汽車(chē)啟動(dòng)性能
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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(kāi)關(guān)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(shù)，通過(guò)實(shí)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(shí)例