圖1：超級電容
 

 

超級電容器具有一個(gè)推薦的工作電壓或者最佳工作電壓，這個(gè)值是根據電容在最高設定溫度下最長(cháng)工作時(shí)間來(lái)確定的。如果應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(cháng)的時(shí)間，電容內部的電解液將會(huì )分解形成氣體，當氣體的壓力逐漸增強時(shí)，電容的安全孔將會(huì )破裂或者沖破。短時(shí)間的過(guò)壓對電容而言是可以容忍的。

 

 

超級電容器采用對稱(chēng)電極設計，也就說(shuō)，他們具有類(lèi)似的結構。當電容首次裝配時(shí)，每一個(gè)電極都可以被當成正極或者負極，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)超級電容器的外殼上都有一個(gè)負極的標志或者標識。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(cháng)，它們的極性就變得越強，如果一個(gè)電容長(cháng)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。

 

 

超級電容器的正常操作溫度是-40 ℃～ 70℃，溫度與電壓的結合是影響超級電容器壽命的重要因素。通常情況下，超級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，盡可以的降低超級電容器的使用溫度，以降低電容的衰減與內阻的升高，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電容的負面影響。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電容器，那么可以使超級電容工作高于指定的電壓，而不會(huì )加快超級電容器內部的退化并影響超級電容器的壽命，在低溫下提高超級電容的工作電壓，可有效地抵消超級電容低溫下內阻的升高。在高溫情況下，電容內阻會(huì )升高，此變化是永久的，不可逆轉的（電解液已分解），在低溫下，電容內阻的升高是暫時(shí)現象，因為低溫下，電解液是黏輖性升高，降低了離子的運動(dòng)速度。

 

 

超級電容器放電時(shí)，會(huì )按照一條斜率曲線(xiàn)放電，當一個(gè)應用明確了電容的容量與內阻要求后，最重要的就是需要了解電阻及電容量對放電特性的影響。在脈沖應用中，電阻是最重要的因素，在小電流應用中，容量又是重要的因素。計算公式如下：

 

Vdrop=I(R + t/C)

 

其中Vdrop是起始工作電壓與截止工作電壓之差，I是放電電流，R是電容是直流內阻，t是放電時(shí)間，C是電容容量

 

在脈沖應用中，由于瞬間電流很大，為減少電壓跌落，選用低內阻（ESR）的超級電容（R值），在小電流應用中，為降低電壓跌落，需要選用大容量的超級電容（C值）。

 

超級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是電容的直流內阻。

 

電容持續采用大電流或者過(guò)壓充電。會(huì )引起電容發(fā)熱，過(guò)熱會(huì )導致電容內阻增加、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。

 

 

自放電與自漏電本質(zhì)上是一樣的，針對超級電容器的結構，相當于在電容內部是正極和負極之間有一條高阻電流通道，這就是意味著(zhù)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，當在充電是時(shí)候，我們可以將此電流當成漏電流；當移去充電電壓后，同時(shí)電容沒(méi)有連接負載，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。

 

為了可靠地測量漏電流或者放電電流，電容必須被連續充電72小時(shí)以上，這同樣是由電容的結構決定的。超級電容是模型可以當成幾只不同的內阻的超級電容的并聯(lián)，當充電時(shí)，低內阻的超級電容充電速度快，電壓很快上升至與充電電壓相等，當充電電壓移去后，如果高內阻的超級電容還沒(méi)有被充滿(mǎn)，低內阻的超級電容開(kāi)始向并聯(lián)的高內阻超級電容放電，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：當電容容量越大，電容被充滿(mǎn)所需的時(shí)間就會(huì )越長(cháng)。

 

 

單體超級電容器的電壓一般為2.5V或者2.7V，在許多應用中，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(cháng)期過(guò)壓，將導致電容電解液分解、氣體產(chǎn)生、內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定狀態(tài)下漏電流的差異，都將導致串聯(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)趨勢范圍內，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)彌補電容容量的不匹配造成的電壓不平衡。

 

 

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電容進(jìn)行充放電的應用中使用，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），雖然大多數平衡電路都采用比較高的平衡電阻，但當串聯(lián)的電容非常不匹配時(shí)，保護是不夠充分的。

 

主動(dòng)平衡電路強迫串聯(lián)節點(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)平衡電路在穩定狀態(tài)下只有非常低的電流，只有當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。

 

 

當串聯(lián)使用的超級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，它們是反壓不導通的。使用一個(gè)合適的齊納穩壓二極管替換標準的二極管，能夠同時(shí)對電容過(guò)壓進(jìn)行保護。需要注意，二極管必須能夠承受電源的峰值電流。

 

 

雖然超級電容器具有比較低的內阻，對相對于電解電容而言，它的內阻還是比較大，當應用于脈動(dòng)電流場(chǎng)合下，容易引起電容內部發(fā)熱。從而導致電容內部電解液分解、內阻增加，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℃。

 

超級電容器具有比二次電池更長(cháng)的使用壽命，但它的使用壽命并不是無(wú)限的，超級電容器基本失效的形式是電容內阻的增加( 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)的應用有關(guān)，長(cháng)期過(guò)溫(溫度)過(guò)壓 (電壓)，或者頻繁大電流放電都會(huì )導致電容內阻的增加或者容量的減小。在規定的參數范圍內使用超級電容器可以有效的延長(cháng)超級電容器的壽命。通常，超級電容器具有于普通電解電容類(lèi)似的結構，都是在一個(gè)鋁殼內密封了液體電解液，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 )導致電容內阻的增加，并使電容徹底失效。