超級電容的選用及其常見應用電路性能比較

黃峰 黃鵬 王亞洲

摘? 要：超級電容又常稱法拉電容和雙電層電容等，由于其具有功率密度高、使用壽命長等優點，在一些領域得到了較為廣泛的應用。但對于初次使用的工程技術人員而言，需要系統全面的了解超級電容的概況、選用、測試和應用方法。文章從實際出發，圍繞以上要點進行了詳細全面的介紹，并提供了具體的真實產品設計案例，希望對工程技術人員的選用提供一定的借鑒參考。

關鍵詞：超級電容;法拉電容;超級電容選用;超級電容應用電路

中圖分類號：TM53? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0067-02

Abstract： Super capacitors， also known as farad capacitors and double-layer capacitors， are widely used in some fields because of their high power density and long service life. But for the first time， engineers and technicians need to understand the general situation， selection， testing and application methods of the super capacitor. Starting from the reality， this paper makes a detailed and comprehensive introduction of these points， and provides a specific design case in real product， hoping to provide some reference for the selection of technicians.

Keywords： super capacitor; farad capacitor; super capacitor selection; circuit of super capacitor application

1 超級電容的定義、作用和優點

超級電容器又稱法拉電容、黃金電容、雙電層電容、電化學電容器等，最早開始研發超級電容的時間可以追溯到上世紀七八十年代，是一種可以存儲大量電荷的電容，其單體最高容量可達五千法拉[1]。

超級電容顯著優點在于：（1）功率密度高，其功率密度是普通電池的10-100倍，可達10kW/kg。具有大電流充放電的特性，因此充電速度也快，一般在幾十秒至數分鐘內可以充到其額定容量的95%以上[2]。（2）能量密度高，可達1-5kW/kg，此參數不及鋰電池，故儲能效果劣于普通電池，但比傳統電容器高1個數量級。（3）使用壽命長，超級電容的充放電次數壽命可達1萬至10萬次，而普通二次電池則一般最高在1000次左右[3]。（4）低溫性能優，產品普遍可在-40至70攝氏度之間工作，而普通電池的低溫衰減特性非常明顯。（5）環保無污染，超級電容整個生產過程鏈條中污染小，尤其是碳基電容，成本低，綠色環保[4]。（6）可以通過串聯、并聯的方式提高端電壓或增加容量。基于這些優點，超級電容在純電動或混合動力汽車增加瞬間功率、智能電網提供短時供電和緩沖能量、工業設備和小型電子設備等場合中都得到了廣泛的應用。

2 超級電容的種類、規格及性能指標

超級電容按其工作原理可分為雙電層超級電容、法拉第準超級電容及混合型超級電容，按體積和制造工藝可分為紐扣型、卷繞型和大型三種，紐扣型容量通常在5F以下，卷繞型容量一般在5～200F之間，大型則為200F以上[5]。另外也可根據電解液種類、活性材料類型等進行分類。單體超級電容的耐壓一般不超過2.7V。

由于功率密度受限、研究成果推進和產業化速度較慢等原因，目前大規模生產的超級電容主要采用雙電層結構。“雙電層”名稱的來源是當電容的兩極施加電壓之后，電容的兩極會分別吸附電解液中的正負離子以極小的間隙排列，從而形成類似“雙層”的電荷層界面，故稱為雙電層。在超級電容的選擇過程中，應注重電容的額定容量、額定電壓、ESR、額定電流和功率密度等重要參數。同時在頻繁快速充放電的場合，由于超級電容易發熱導致電容被擊穿燒毀，則不宜采用。

3 常見超級電容的選用原則及測試方法

超級電容的額定電壓、額定電流需根據應用場景選擇，對應的ESR則需同時估計負載的等效電阻，所選電容ESR越小代表所能輸出的功率越大，工作效率越高，可以采用數字電橋調節到指定頻率進行測量。

至于超級電容容量的選擇標準，則可以借鑒如下計算方法。第一種情況是恒電流輸出模式，由于電流乘以時間是電容器初始和放電結束之間的電量差，可以推導出電容量的計算公式為C=（式1），其中I為恒電流輸出模式時的電流大小，t為電容所要求供電的時間，U為電容放電時的初始電壓，U為電容放電結束時所應具備的電壓。第二種情況是恒功率輸出模式，可以根據功率乘以時間等于電容初始和放電結束之間的電能差，推導出C=（式2），各符號代表的物理意義同前所述。但在實際應用時，由于電容制造偏差及電路損耗等各因素，在選用時應比理論計算偏大，這是一種保險的做法。

而超級電容的容量，則可以采用恒流放電法、放電能量法和時間常數法等進行測試[6]。恒流放電法是指搭建恒流放電裝置，先將電容在額定電壓下充電并保持30分鐘，后通過式1進行電壓和電流測量記載并進行運算的方式得到容值。放電能量法在實施時也是先將電容在額定電壓下充電并保持足夠時間，后通過恒阻放電，期間不斷采集電路所消耗的功率，將這些功率數值對時間進行積分就是該時間段內電容所存儲的能量，后可參考式2將功率以計算數值代入，也可大致求得容值大小。時間常數法則是通過測量充電時間常數或放電時間常數的方法計算容值。不難看出，在實驗裝置及過程要求等方面，恒流放電法較為簡易。

4 超級電容常見應用電路簡介及性能比較

在實際使用時，由于出廠超級電容的容量、漏電流、ESR的不統一，導致超級電容在串并聯使用時需做均壓均流處理。超級電容并聯一般是為了達到提高儲能的作用，相同電壓充電時容值可以不同，但要注意各個電容之間的電流平衡問題以及相互隔離，可以考慮采用二極管等元件搭建電路避免由于放電后電勢差產生的相互反向充電。

在實際中使用更多是將超級電容以串聯形式進行組合以提高端電壓，但超級電容的串聯需要考慮電壓均衡，常見的均衡方案可分為能耗型和回饋型兩類[7]。現將這些方案優缺點進行羅列對比，見表1。

雖然能耗型均壓方案有一定的能量損耗，但鑒于其簡單和低成本的特點，在許多簡單控制領域得到了廣泛使用。現提供一個基于能耗型均衡方案的具體設計案例供參考借鑒，本電路已在實際產品中得以運用，見圖1。

實際電路中，超級電容1和超級電容2為兩個標稱1.5F、耐壓2.7V的超級電容。超級電容通過受控電源進行恒壓充電。該設計借鑒開關電阻均衡法的原理，通過電壓監測單元（本案例使用STM1061N27WX6F芯片）監測電容兩端的電壓變化，同時輸出對應電平控制后端MOS管打開或關閉，從而控制電阻網絡對電容進行放電或充電。此外，本方案具備電容擊穿防護功能，若超級電容工作中發生擊穿傾向，可通過電流采集和放大電路控制MOS管來關閉受控電源，有效保護電容和電路。該均衡電路不僅電路簡單，而且可靠性高，可在小功率充放電控制電路中借鑒采用。

5 結束語

雖然超級電容也存在能量密度遠低于電池、成本偏高等缺點，但其優點同樣突出。本文從實際應用出發，較為系統的介紹了超級電容的功能、類別、選用原則和測試方法，較為詳細的介紹了超級電容串并聯應用電路的特性和注意點，并給出了具體的設計案例。對于計劃采用超級電容進行蓄電方案設計的工程技術人員，具有一定的借鑒意義和參考價值。

參考文獻：

[1]李慧，徐媛，盛志兵，等.超級電容器的應用與發展[J].江西化工，2013（01）：9-11.

[2]高曉林.電容器大家族的新貴——超級電容器[J].電力電容器與無功補償，2010，31（06）：26-28.

[3]周新民，孫暉.新型儲能元件綜述——超級電容及其應用[J].變頻器世界，2009（06）：28-30.

[4]劉曉臣.超級電容器工作原理及應用[J].電子產品可靠性與環境試驗，2012，30（S1）：111-114.

[5]于凌宇，馮玉萍.世界超級電容器發展動態[J].今日電子，2008（12）：53-55.

[6]田華亭.AGV用超級電容與蓄電池電電混合的實驗研究[D].昆明理工大學，2010.

[7]柴慶冕.超級電容器儲能系統充放電控制策略的研究[D].北京交通大學，2010.