中心論題：

• 超級電容器的結構
• 超級電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢
• 超級電容器的廣泛應用

解決方案：

• 具有雙層結構
• 具有充放電速度快、低阻抗等特點(diǎn)
• 具有廣泛的用途 

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來(lái)越關(guān)注，超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無(wú)可替代的優(yōu)越性，越來(lái)越受到人們的重視。在一些需要高功率、高效率解決方案的設計中，工程師已開(kāi)始采用超級電容器來(lái)取代傳統的電池。

電池技術(shù)的缺陷
Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個(gè)可靠的能量?jì)Υ娣桨?，并且已?jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用。眾所周知，化學(xué)電池是通過(guò)電化學(xué)反應，產(chǎn)生法拉第電荷轉移來(lái)儲存電荷的，使用壽命較短，并且受溫度影響較大，這也同樣是采用鉛酸電池（蓄電池）的設計者所面臨的困難。同時(shí)，大電流會(huì )直接影響這些電池的壽命，因此，對于要求長(cháng)壽命、高可靠性的某些應用，這些基于化學(xué)反應的電池就顯出種種不足。

超級電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢
超級電容器的原理并非新技術(shù)，常見(jiàn)的超級電容器大多是雙電層結構，同電解電容器相比，這種超級電容器能量密度和功率密度都非常高。同傳統的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無(wú)污染、循環(huán)壽命長(cháng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)。
 

除了可以快速充電和放電，超級電容器的另一個(gè)主要特點(diǎn)是低阻抗。所以，當一個(gè)超級電容器被全部放電時(shí)，它將表現出小電阻特性，如果沒(méi)有限制，它會(huì )拽取可能的源電流。因此，必須采用恒流或恒壓充電器。

１０年前，超級電容器每年只能賣(mài)出去很少的數量，而且價(jià)格很貴，大約１～２美元／法拉，現在，超級電容器已經(jīng)作為標準產(chǎn)品大批量供應市場(chǎng)，價(jià)格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。在最近幾年中，超級電容器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入很多應用領(lǐng)域，如消費電子、工業(yè)和交通運輸業(yè)等領(lǐng)域。

圖1 超級電容器循環(huán)壽命長(cháng)，具有很高的功率密度、安全性和效率

超級電容器的結構
雖然，目前全球已有許多家超級電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類(lèi)的超級電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結構，超級電容器在結構上與電解電容器非常相似，它們的主要區別在于電極材料，如圖2所示。

圖2 在結構上，超級電容器和電池或電解電容器的主要區別是電極材料
 

早期的超級電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數超級電容器可以做到法拉級，一般容值范圍為1～5000F。

使用超級電容器
超級電容器具有廣泛的用途。與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相結合，超級電容器能提供快速的能量釋放，滿(mǎn)足高功率需求，從而使燃料電池可以?xún)H作為能量源使用。目前，超級電容器的能量密度可高達20kW/kg，已經(jīng)開(kāi)始搶占傳統電容器和電池之間的這部分市場(chǎng)。

在那些要求高可靠性而對能量要求不高的應用中，可以用超級電容器來(lái)取代電池，也可以將超級電容器和電池結合起來(lái)應用在對能量要求很高的場(chǎng)合，從而可以采用體積更小、更經(jīng)濟的電池。

超級電容器的ESR值很低，從而可以輸出大電流，也可以快速吸收大電流。同化學(xué)充電原理相比，超級電容器的工作原理使這種產(chǎn)品的性能更穩定，因此，超級電容器的使用壽命更長(cháng)。對于像電動(dòng)工具和玩具這種需要快速充電的設備來(lái)說(shuō)，超級電容器無(wú)疑是一個(gè)很理想的電源。
　　
一些產(chǎn)品適合采用電池／超級電容器的混合系統，超級電容器的使用可以避免為了獲得更多的能量而使用大體積的電池。如消費電子產(chǎn)品中的數碼相機就是一個(gè)例子，超級電容器的使用使數碼相機可以采用便宜的堿性電池（而不是使用昂貴的Li離子電池）。
　　
超級電容器單元（cell）的額定電壓范圍為２.5～2.7V,因此，很多應用需要使用多個(gè)超級電容器單元。當串聯(lián)這些單元時(shí)，設計工程師需要考慮單元之間的平衡和充電情況。
　　
任何超級電容器都會(huì )在通電的情況下，通過(guò)內部并聯(lián)電阻放電，這個(gè)放電電流就稱(chēng)為漏電流，它會(huì )影響超級電容器單元的自放電。同某些二級電池技術(shù)相似，超級電容器的電壓在串聯(lián)使用時(shí)需要平衡，因為存在漏電流，內部并聯(lián)電阻的大小將決定串聯(lián)的超級電容器單元上的電壓分配。當超級電容器上的電壓穩定后，各個(gè)單元上的電壓將隨著(zhù)漏電流的不同而發(fā)生變化，而不是隨著(zhù)容值不同而變化。漏電流越大，額定電壓越小，反之，漏電流小，額定電壓高。這是因為，漏電流會(huì )造成超級電容器單元放電，使電壓降低，而這個(gè)電壓會(huì )隨后影響和它串聯(lián)在一起的其他單元的電壓（這里假定這些串連的單元都使用同一個(gè)恒定電壓供電）。
　　
為了補償漏電流的變化，常采用的方法是，在每一個(gè)單元旁邊并聯(lián)一個(gè)電阻，來(lái)控制整個(gè)單元的漏電流。這種方法有效地降低了各單元之間相應并聯(lián)電阻的變化。

另一個(gè)推薦使用的方法是主動(dòng)單元平衡法（active cell-balancing），采用這種方法，每一個(gè)單元都會(huì )被主動(dòng)監視，當有電壓變化時(shí)，即進(jìn)行互相平衡。這種方法可以降低單元上的任何額外負載，使工作效率更高。
　　
如果電壓超過(guò)單元的額定電壓，將會(huì )縮短單元的使用壽命。對于高可靠性超級電容器來(lái)說(shuō)，如何維持電壓在要求的范圍內是關(guān)鍵的一點(diǎn)，必須控制充電電壓，以保證它不能超過(guò)每個(gè)單元的額定電壓。