超級(jí)電容參數(shù)

　　超級(jí)電容器是一種通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件，可作為一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，且儲(chǔ)能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。其突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量zui大的一種。本文著重討論超級(jí)電容選型和應(yīng)用時(shí)需要了解的一些關(guān)鍵參數(shù)。

　　1、電壓

　　超級(jí)電容器具有一個(gè)推薦的工作電壓或者zui佳工作電壓，這個(gè)值是根據(jù)電容在zui高設(shè)定溫度下zui長(zhǎng)工作時(shí)間來確定的。如果應(yīng)用電壓高于推薦電壓，將縮短電容的壽命，如果過壓比較長(zhǎng)的時(shí)間，電容內(nèi)部的電解液將會(huì)分解形成氣體，當(dāng)氣體的壓力逐漸增強(qiáng)時(shí)，電容的安全孔將會(huì)破裂或者沖破。短時(shí)間的過壓對(duì)電容而言是可以容忍的。

　　2、極性

　　超級(jí)電容器采用對(duì)稱電極設(shè)計(jì)，也就說，他們具有類似的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電容首次裝配時(shí)，每一個(gè)電極都可以被當(dāng)成正極或者負(fù)極，一旦電容被*次 100%從滿電時(shí)，電容就會(huì)變成有極性了，每一個(gè)超級(jí)電容器的外殼上都有一個(gè)負(fù)極的標(biāo)志或者標(biāo)識(shí)。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(zhǎng)，它們的極性就變得越強(qiáng)，如果一個(gè)電容長(zhǎng)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。

　　3、溫度

　　超級(jí)電容器的正常操作溫度是-40 ℃～ 70℃，溫度與電壓的結(jié)合是影響超級(jí)電容器壽命的重要因素。通常情況下，超級(jí)電容器是溫度每升高 10℃，電容的壽命就將降低 30%～50%，也就說，在可能的情況下，盡可以的降低超級(jí)電容器的使用溫度，以降低電容的衰減與內(nèi)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(duì)電容的負(fù)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器內(nèi)部的退化并影響超級(jí)電容器的壽命，在低溫下提高超級(jí)電容的工作電壓，可有效地抵消超級(jí)電容低溫下內(nèi)阻的升高。在高溫情況下，電容內(nèi)阻會(huì)升高，此變化是*的，不可逆轉(zhuǎn)的（電解液已分解），在低溫下，電容內(nèi)阻的升高是暫時(shí)現(xiàn)象，因?yàn)榈蜏叵?，電解液是黏輖性升高，降低了離子的運(yùn)動(dòng)速度。

　　4、放電

　　超級(jí)電容器放電時(shí)，會(huì)按照一條斜率曲線放電，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用明確了電容的容量與內(nèi)阻要求后，zui重要的就是需要了解電阻及電容量對(duì)放電特性的影響。在脈沖應(yīng)用中，電阻是zui重要的因素，在小電流應(yīng)用中，容量又是重要的因素。計(jì)算公式如下： V=I（R + t/C） 其中 V 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(nèi)阻，t 是放電時(shí)間，C 是電容容量 在脈沖應(yīng)用中，由于瞬間電流很大，為減少電壓跌落，選用低內(nèi)阻（ESR）的超級(jí)電容（R 值），在小電流應(yīng)用中，為降低電壓跌落，需要選用大容量的超級(jí)電容（C 值）。

　　5、充電

　　超級(jí)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(fù)載連接，而沒有經(jīng)過電阻，否則電容是低電阻特性將是無效。很多電池系統(tǒng)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zui大的推薦充電電流計(jì)算公式如下： I=Vw/5R 其中 I 是推薦的zui大充電電流，Vw 是充電電壓，R 是電容的直流內(nèi)阻。 電容持續(xù)采用大電流或者過壓充電。會(huì)引起電容發(fā)熱，過熱會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)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。

　　6、自放電與漏電流

　　自放電與自漏電本質(zhì)上是一樣的，針對(duì)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在電容內(nèi)部是正極和負(fù)極之間有一條高阻電流通道，這就是意味著在電容充電的時(shí)候，同時(shí)會(huì)有一個(gè)額外的附加電流，當(dāng)在充電是時(shí)候，我們可以將此電流當(dāng)成漏電流;當(dāng)移去充電電壓后，同時(shí)電容沒有連接負(fù)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(cè)量漏電流或者放電電流，電容必須被連續(xù)充電 72 小時(shí)以上，這同樣是由電容的結(jié)構(gòu)決定的。超級(jí)電容是模型可以當(dāng)成幾只不同的內(nèi)阻的超級(jí)電容的并聯(lián)，當(dāng)充電時(shí)，低內(nèi)阻的超級(jí)電容充電速度快，電壓很快上升至與充電電壓相等，當(dāng)充電電壓移去后，如果高內(nèi)阻的超級(jí)電容還沒有被充滿，低內(nèi)阻的超級(jí)電容開始向并聯(lián)的高內(nèi)阻超級(jí)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(dāng)電容容量越大，電容被充滿所需的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。

　　7、電容串聯(lián)

　　單體超級(jí)電容器的電壓一般為 2.5V 或者 2.7V，在許多應(yīng)用中，需要比較高的電壓，這樣可以使用串聯(lián)的方法來提高電容的電壓，必須注意，在串聯(lián)應(yīng)用中，每一個(gè)單體的電容都不能超過其zui大的耐壓，一旦長(zhǎng)期過壓，將導(dǎo)致電容電解液分解、氣體產(chǎn)生、內(nèi)阻增加以及電容壽命縮短。

　　8、被動(dòng)電壓平衡

　　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(yù)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(duì)電容進(jìn)行充放電的應(yīng)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zui高操作溫度），雖然大多數(shù)平衡電路都采用比較高的平衡電阻，但當(dāng)串聯(lián)的電容非常不匹配時(shí)，保護(hù)是不夠充分的。

　　9、主動(dòng)電壓平衡

　　主動(dòng)平衡電路強(qiáng)迫串聯(lián)節(jié)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)在確保的電壓平衡時(shí)，主動(dòng)平衡電路在穩(wěn)定狀態(tài)下只有非常低的電流，只有當(dāng)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。

　　10、反極性保護(hù)

　　當(dāng)串聯(lián)使用的超級(jí)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(dǎo)通的。使用一個(gè)合適的齊納穩(wěn)壓二極管替換標(biāo)準(zhǔn)的二極管，能夠同時(shí)對(duì)電容過壓進(jìn)行保護(hù)。需要注意，二極管必須能夠承受電源的峰值電流。

　　11、脈動(dòng)電流

　　雖然超級(jí)電容器具有比較低的內(nèi)阻，對(duì)相對(duì)于電解電容而言，它的內(nèi)阻還是比較大，當(dāng)應(yīng)用于脈動(dòng)電流場(chǎng)合下，容易引起電容內(nèi)部發(fā)熱。從而導(dǎo)致電容內(nèi)部電解液分解、內(nèi)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(yīng)用于脈動(dòng)場(chǎng)合時(shí)，zui好保證電容表面的溫度上升不超過 5℃。 超級(jí)電容器具有比二次電池更長(zhǎng)的使用壽命，但它的使用壽命并不是無限的，超級(jí)電容器基本失效的形式是電容內(nèi)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的應(yīng)用有關(guān)，長(zhǎng)期過溫（溫度）過壓 （電壓），或者頻繁大電流放電都會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)阻的增加或者容量的減小。在規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)使用超級(jí)電容器可以有效的延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命。通常，超級(jí)電容器具有于普通電解電容類似的結(jié)構(gòu)，都是在一個(gè)鋁殼內(nèi)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(dǎo)致電容內(nèi)阻的增加，并使電容徹底失效。

　　超級(jí)電容器的分類

　　對(duì)于超級(jí)電容器來說，依據(jù)不同的內(nèi)容可有不同的分類方法。

　　首先，根據(jù)不同的儲(chǔ)能機(jī)理，可將超級(jí)電容器分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩大類。其中，雙電層電容器主要是通過純靜電電荷在電極表面進(jìn)行吸附來產(chǎn)生存儲(chǔ)能量。法拉第準(zhǔn)電容器主要是通過法拉第準(zhǔn)電容活性電極材料（如過渡金屬氧化物和高分子聚合物）表面及表面附近發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生法拉第準(zhǔn)電容，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。

　　其次，根據(jù)電解液種類可分為水系超級(jí)電容器和有機(jī)系超級(jí)電容器兩大類。

　　此外，根據(jù)活性材料的類型是否相同，可分為對(duì)稱超級(jí)電容器和非對(duì)稱超級(jí)電容器。

　　最后，根據(jù)電解液的狀態(tài)形式，又可將超級(jí)電容器分為固體電解質(zhì)超級(jí)電容器和液體電解質(zhì)超級(jí)電容器兩大類。