透彻理解超级电容的11个参数
[导读]超级电容器是一种通过极化电解质来储能的一种电化学元件，可作为一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。其突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。本文着重讨论超级电容选型和应用时需要了解的一些关键参数。
图1：超级电容
电压 Voltage 超级电容器具有一个推荐的工作电压或者最佳工作电压，这个值是根据电容在最高设定温度下最长工作时间来确定的。如果应用电压高于推荐电压，将缩短电容的寿命，如果过压比较长的时间，电容内部的电解液将会分解形成气体，当气体的压力逐渐增强时，电容的安全孔将会破裂或者冲破。短时间的过压对电容而言是可以容忍的。 极性 Polarity 超级电容器采用对称电极设计，也就说，他们具有类似的结构。当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了，每一个超级电容器的外壳上都有一个负极的标志或者标识。虽然它们可以被短路以使电压降低到零伏，但电极依然保留很少一部分的电荷，此时变换极性是不推荐的。电容按照一个方向被充电的时间越长，它们的极性就变得越强，如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。 温度 Ambient Temperature 超级电容器的正常操作温度是-40 ℃～ 70℃，温度与电压的结合是影响超级电容器寿命的重要因素。通常情况下，超级电容器是温度每升高10℃，电容的寿命就将降低30%～50%，也就说，在可能的情况下，尽可以的降低超级电容器的使用温度，以降低电容的衰减与内阻的升高，如果不可能降低使用温度，那么可以降低电压以抵清高温对电容的负面影响。比如，如果电容的工作电压降低为1.8V，那么电容可以工作于65℃高温下。如果在低于室温的条件下使用超级电容器，那么可以使超级电容工作高于指定的电压，而不会加快超级电容器内部的退化并影响超级电容器的寿命，在低温下提高超级电容的工作电压，可有效地抵消超级电容低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻会升高，此变化是永久的，不可逆转的（电解液已分解），在低温下，电容内阻的升高是暂时现象，因为低温下，电解液是黏輖性升高，降低了离子的运动速度。 放电 Discharge Characteristics 超级电容器放电时，会按照一条斜率曲线放电，当一个应用明确了电容的容量与内阻要求后，最重要的就是需要了解电阻及电容量对放电特性的影响。在脉冲应用中，电阻是最重要的因素，在小电流应用中，容量又是重要的因素。计算公式如下： Vdrop=I(R + t/C) 其中Vdrop是起始工作电压与截止工作电压之差，I是放电电流，R是电容是直流内阻，t是放电时间，C是电容容量 在脉冲应用中，由于瞬间电流很大，为减少电压跌落，选用低内阻（ESR）的超级电容（R值），在小电流应用中，为降低电压跌落，需要选用大容量的超级电容（C值）。充电 Charge Methods 超级电容器具有多种充电形式，比如恒流、恒功率、恒压等。或者与电源并列，比如电池、燃料电池、DC变换器等。如果一个电容与一个电池并联，那么在电容回路中串联一个电阻将降低电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。如果串联了电阻，那么要保证电容的电压输出是直接与负载连接，而没有经过电阻，否则电容是低电阻特性将是无效。很多电池系统不允许瞬间大电流放电，否则会影响到电池的寿命。一只电容最大的推荐充电电流计算公式如下: I=Vw/5R 其中I是推荐的最大充电电流，Vw是充电电压，R是电容的直流内阻。 电容持续采用大电流或者过压充电。会引起电容发热，过热会导致电容内阻增加、电解液分解产生气体、缩短寿命、漏电流增加或者电容破裂。 自放电与漏电流Self Discharge and Leakage Current 自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流；当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。 为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。超级电容是模型可以当成几只不同的内阻的超级电容的并联，当充电时，低内阻的超级电容充电速度快，电压很快上升至与充电电压相等，当充电电压移去后，如果高内阻的超级电容还没有被充满，低内阻的超级电容开始向并联的高内阻超级电容放电，这样电容两端的电压下降就会比较快，给人的印象是电容具有比较大的自放电，必须注意的是：当电容容量越大，电容被充满所需的时间就会越长。 电容串联 Series Configurations of Super capacitors 单体超级电容器的电压一般为2.5V或者2.7V，在许多应用中，需要比较高的电压，这样可以使用串联的方法来提高电容的电压，必须注意，在串联应用中，每一个单体的电容都不能超过其最大的耐压，一旦长期过压，将导致电容电解液分解、气体产生、内阻增加以及电容寿命缩短。 在放电或者充电时，电容容量的差异或者稳定状态下漏电流的差异，都将导致串联电容分压不平衡。在充电时，串联的电容将进行分压，这样高容量的电容将承受更大的电压压力。比如，如果两个1F的电容进行串联，一只是+20%容量偏差，另一只是-20%容量偏差，电容分压如下： Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)] 其中Vcap1是+20%容量偏差的电容如果充电电压是5V Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V 从上式可以看出，如果需要避免分压大于电容的峰值电压3V，那么电容容量误差必须在同一个趋势范围内，比如同为+20%误差或者同为-20%误差。另外也可以用主动电压平衡电路来弥补电容容量的不匹配造成的电压不平衡。 被动电压平衡 Passive Voltage Balancing 被动电压平衡电路是采用与电容并联的电阻进行分压，这就允许电流从电压比较高的电容向电压比较低的电容流动，通过这种方式进行电压平衡。选择电阻的阻值是非常重要的，通常要使电阻允许的电流大于电容预期的漏电流。需要记住的是，漏电流在温度升高的时候通常会增大。 被动平衡电路只有在不频繁对电容进行充放电的应用中使用，同时能够容忍平衡电阻引起的额外电流，建议选择平衡电阻阻值时，使平衡电阻的电流大于电容漏电流50倍以上，（平衡电阻值为3.3KΩ-22KΩ,取决于电容的最高操作温度），虽然大多数平衡电路都采用比较高的平衡电阻，但当串联的电容非常不匹配时，保护是不够充分的。主动电压平衡 Active Voltage Balancing 主动平衡电路强迫串联节点的电压与参考电压相一致，不管电压有多么的不平衡，同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时，才会产生比较大的电流，这些特性使主动平衡电路非常适合于需要频繁充放电的场合。 反极性保护 Reverse Voltage Protection 当串联使用的超级电容器被快速充电时，低容量的电压有可能变成反极性，这是不允许的，同时会降低电容的使用寿命，一个简单的解决办法就是在电容的两端并联一个二极管，正常情况下，它们是反压不导通的。使用一个合适的齐纳稳压二极管替换标准的二极管，能够同时对电容过压进行保护。需要注意，二极管必须能够承受电源的峰值电流。 脉动电流 Ripple Current 虽然超级电容器具有比较低的内阻，对相对于电解电容而言，它的内阻还是比较大，当应用于脉动电流场合下，容易引起电容内部发热。从而导致电容内部电解液分解、内阻增加，并引起电容寿命缩短。为了保证电容的使用寿命，在应用于脉动场合时，最好保证电容表面的温度上升不超过5℃。 超级电容器具有比二次电池更长的使用寿命，但它的使用寿命并不是无限的，超级电容器基本失效的形式是电容内阻的增加( ESR)与 (或) 电容容量的降低.，电容实际的失效形式往往与用户的应用有关，长期过温(温度)过压 (电压)，或者频繁大电流放电都会导致电容内阻的增加或者容量的减小。在规定的参数范围内使用超级电容器可以有效的延长超级电容器的寿命。通常，超级电容器具有于普通电解电容类似的结构，都是在一个铝壳内密封了液体电解液，若干年以后，电解液会逐渐干涸，这一点与普通电解电容一样，这会导致电容内阻的增加，并使电容彻底失效。
图1：超级电容
电压 Voltage 超级电容器具有一个推荐的工作电压或者最佳工作电压，这个值是根据电容在最高设定温度下最长工作时间来确定的。如果应用电压高于推荐电压，将缩短电容的寿命，如果过压比较长的时间，电容内部的电解液将会分解形成气体，当气体的压力逐渐增强时，电容的安全孔将会破裂或者冲破。短时间的过压对电容而言是可以容忍的。 极性 Polarity 超级电容器采用对称电极设计，也就说，他们具有类似的结构。当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了，每一个超级电容器的外壳上都有一个负极的标志或者标识。虽然它们可以被短路以使电压降低到零伏，但电极依然保留很少一部分的电荷，此时变换极性是不推荐的。电容按照一个方向被充电的时间越长，它们的极性就变得越强，如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。 温度 Ambient Temperature 超级电容器的正常操作温度是-40 ℃～ 70℃，温度与电压的结合是影响超级电容器寿命的重要因素。通常情况下，超级电容器是温度每升高10℃，电容的寿命就将降低30%～50%，也就说，在可能的情况下，尽可以的降低超级电容器的使用温度，以降低电容的衰减与内阻的升高，如果不可能降低使用温度，那么可以降低电压以抵清高温对电容的负面影响。比如，如果电容的工作电压降低为1.8V，那么电容可以工作于65℃高温下。如果在低于室温的条件下使用超级电容器，那么可以使超级电容工作高于指定的电压，而不会加快超级电容器内部的退化并影响超级电容器的寿命，在低温下提高超级电容的工作电压，可有效地抵消超级电容低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻会升高，此变化是永久的，不可逆转的（电解液已分解），在低温下，电容内阻的升高是暂时现象，因为低温下，电解液是黏輖性升高，降低了离子的运动速度。 放电 Discharge Characteristics 超级电容器放电时，会按照一条斜率曲线放电，当一个应用明确了电容的容量与内阻要求后，最重要的就是需要了解电阻及电容量对放电特性的影响。在脉冲应用中，电阻是最重要的因素，在小电流应用中，容量又是重要的因素。计算公式如下： Vdrop=I(R + t/C) 其中Vdrop是起始工作电压与截止工作电压之差，I是放电电流，R是电容是直流内阻，t是放电时间，C是电容容量 在脉冲应用中，由于瞬间电流很大，为减少电压跌落，选用低内阻（ESR）的超级电容（R值），在小电流应用中，为降低电压跌落，需要选用大容量的超级电容（C值）。充电 Charge Methods 超级电容器具有多种充电形式，比如恒流、恒功率、恒压等。或者与电源并列，比如电池、燃料电池、DC变换器等。如果一个电容与一个电池并联，那么在电容回路中串联一个电阻将降低电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。如果串联了电阻，那么要保证电容的电压输出是直接与负载连接，而没有经过电阻，否则电容是低电阻特性将是无效。很多电池系统不允许瞬间大电流放电，否则会影响到电池的寿命。一只电容最大的推荐充电电流计算公式如下: I=Vw/5R 其中I是推荐的最大充电电流，Vw是充电电压，R是电容的直流内阻。 电容持续采用大电流或者过压充电。会引起电容发热，过热会导致电容内阻增加、电解液分解产生气体、缩短寿命、漏电流增加或者电容破裂。 自放电与漏电流Self Discharge and Leakage Current 自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流；当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。 为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。超级电容是模型可以当成几只不同的内阻的超级电容的并联，当充电时，低内阻的超级电容充电速度快，电压很快上升至与充电电压相等，当充电电压移去后，如果高内阻的超级电容还没有被充满，低内阻的超级电容开始向并联的高内阻超级电容放电，这样电容两端的电压下降就会比较快，给人的印象是电容具有比较大的自放电，必须注意的是：当电容容量越大，电容被充满所需的时间就会越长。 电容串联 Series Configurations of Super capacitors 单体超级电容器的电压一般为2.5V或者2.7V，在许多应用中，需要比较高的电压，这样可以使用串联的方法来提高电容的电压，必须注意，在串联应用中，每一个单体的电容都不能超过其最大的耐压，一旦长期过压，将导致电容电解液分解、气体产生、内阻增加以及电容寿命缩短。 在放电或者充电时，电容容量的差异或者稳定状态下漏电流的差异，都将导致串联电容分压不平衡。在充电时，串联的电容将进行分压，这样高容量的电容将承受更大的电压压力。比如，如果两个1F的电容进行串联，一只是+20%容量偏差，另一只是-20%容量偏差，电容分压如下： Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)] 其中Vcap1是+20%容量偏差的电容如果充电电压是5V Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V 从上式可以看出，如果需要避免分压大于电容的峰值电压3V，那么电容容量误差必须在同一个趋势范围内，比如同为+20%误差或者同为-20%误差。另外也可以用主动电压平衡电路来弥补电容容量的不匹配造成的电压不平衡。 被动电压平衡 Passive Voltage Balancing 被动电压平衡电路是采用与电容并联的电阻进行分压，这就允许电流从电压比较高的电容向电压比较低的电容流动，通过这种方式进行电压平衡。选择电阻的阻值是非常重要的，通常要使电阻允许的电流大于电容预期的漏电流。需要记住的是，漏电流在温度升高的时候通常会增大。 被动平衡电路只有在不频繁对电容进行充放电的应用中使用，同时能够容忍平衡电阻引起的额外电流，建议选择平衡电阻阻值时，使平衡电阻的电流大于电容漏电流50倍以上，（平衡电阻值为3.3KΩ-22KΩ,取决于电容的最高操作温度），虽然大多数平衡电路都采用比较高的平衡电阻，但当串联的电容非常不匹配时，保护是不够充分的。主动电压平衡 Active Voltage Balancing 主动平衡电路强迫串联节点的电压与参考电压相一致，不管电压有多么的不平衡，同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时，才会产生比较大的电流，这些特性使主动平衡电路非常适合于需要频繁充放电的场合。 反极性保护 Reverse Voltage Protection 当串联使用的超级电容器被快速充电时，低容量的电压有可能变成反极性，这是不允许的，同时会降低电容的使用寿命，一个简单的解决办法就是在电容的两端并联一个二极管，正常情况下，它们是反压不导通的。使用一个合适的齐纳稳压二极管替换标准的二极管，能够同时对电容过压进行保护。需要注意，二极管必须能够承受电源的峰值电流。 脉动电流 Ripple Current 虽然超级电容器具有比较低的内阻，对相对于电解电容而言，它的内阻还是比较大，当应用于脉动电流场合下，容易引起电容内部发热。从而导致电容内部电解液分解、内阻增加，并引起电容寿命缩短。为了保证电容的使用寿命，在应用于脉动场合时，最好保证电容表面的温度上升不超过5℃。 超级电容器具有比二次电池更长的使用寿命，但它的使用寿命并不是无限的，超级电容器基本失效的形式是电容内阻的增加( ESR)与 (或) 电容容量的降低.，电容实际的失效形式往往与用户的应用有关，长期过温(温度)过压 (电压)，或者频繁大电流放电都会导致电容内阻的增加或者容量的减小。在规定的参数范围内使用超级电容器可以有效的延长超级电容器的寿命。通常，超级电容器具有于普通电解电容类似的结构，都是在一个铝壳内密封了液体电解液，若干年以后，电解液会逐渐干涸，这一点与普通电解电容一样，这会导致电容内阻的增加，并使电容彻底失效。