上期回顾：电容选型与应用知识系列大讲台—电解电容应用选型篇（一）
                  电容选型与应用知识系列大讲台—电解电容应用选型篇（二）

中心议题：

• 超级电容器原理
• 超级电容的主要特点、优缺点
• 如何选择超级电容器
• 超级电容的典型应用—备用电源
• 超级电容提供峰值功率的应用案例
• 超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能

超级电容以高达数千法拉的电容值和快速充放电速率而闻名于世。超级电容以前主要用于大功率电源和大型工业与消费类电源设备，如今在各种尺寸的产品、特别是便携式设备中也找到了用武之地。

由于能够长时间存储大量的电能，超级电容表现得更像是电池而不是一个标准电容。事实上，随着技术的进步，它们将替代众多产品中的可充电电池，从计算机、数码相机、手机到其它手持设备。

一、超级电容器原理
超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

简单地说，超级电容是一种非常大的极化电解质电容。这里的‘大’指的是容量，而不是它们的物理尺寸。

超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容器。根据电容器的原理,电容量取决于电极间距离和电极表面积,为了得到如此大的电容量,超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积。为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极,超级电容器的结构如图1。双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极如图2，很明显两电极的距离非常小,仅几纳米,同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m²/克。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。就储能而言，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下）,如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。                       

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。 

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

延伸阅读：超级电容器基本原理及性能特点
                  替代能源中的超级电容器介绍

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二、超级电容的主要特点、优缺点
尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或是更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说,这种超级电容器有以下几点优势：

1.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的表面积越大,则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

2.充放电寿命很长，可达500000次,或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

3.可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能。

4.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40℃～+70℃），而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;而且,超级电容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。

因此，可以用简短的词语总结出超级电容的优点 ：

• 在很小的体积下达到法拉级的电容量；
• 无须特别的充电电路和控制放电电路
• 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；
• 从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；
• 超级电容器可焊接，因而不存在象电池接触不牢固等问题。

缺点 ：

• 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；
• 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。

三、如何选择超级电容器
很多用户都遇到相同的问题，就是怎样计算一定容量的超级电容在以一定电流放电时的放电时间，或者根据放电电流及放电时间，怎么选择超级电容的容量，下面我们给出简单的计算公司，用户根据这个公式，就可以简单地进行电容容量、放电电流、放电时间的推算，十分地方便。

超级电容器的两个主要应用：高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征：瞬时流向负载大电流；瞬时功率保持应用的特征：要求持续向负载提供功率，持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用：断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R)，而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。

下面提供了两种计算公式和应用实例：
C(F)： 超电容的标称容量；                             R(Ohms)： 超电容的标称内阻；
ESR(Ohms)：1KZ 下等效串联电阻；                Uwork(V)： 在电路中的正常工作电压
Umin(V)： 要求器件工作的最小电压；              t(s)： 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间；
I(A)： 负载电流；                                             Udrop(V)： 在放电或大电流脉冲结束时，总的电压降；
 
瞬时功率保持应用
超电容容量的近似计算公式，该公式根据，保持所需能量=超电容减少能量。
保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；
超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，
因而，可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

如单片机应用系统中，应用超级电容作为后备电源，在掉电后需要用超级电容维持100mA的电流，持续时间为10s,单片机系统截止工作电压为4.2V，那么需要多大容量的超级电容能够保证系统正常工作？ 
由以上公式可知：
工作起始电压 Vwork＝5V；工作截止电压 Vmin＝4.2V；工作时间 t=10s；工作电源 I＝0.1A所需电容容量为：
C=(Vwork+ Vmin)It/( Vwork2 -Vmin2)
 =(5+4.2)*0.1*10/(52 -4.22)
 =1.25F
 根据计算结果，可以选择5.5V 1.5F电容就可以满足需要了。

超级电容容量选择实例：
假设磁带驱动的工作电压5V，安全工作电压3V。如果直流马达要求0.5A 保持2 秒（可以安全工作），那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。因为5V 的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而，可以将两电容器串联。如两相同的电容器串联的话，那每只的电压即是其标称电压2.5V。如果我们选择标称容量是1F 的电容器，两串为0.5F。考虑到电容器－20％的容量偏差，这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F 的电容器，能提供1.5F/2=0.75F。考虑－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。大电流脉冲后，磁带驱动转入小电流工作模式，用超电容剩余的能量。在该实例中，均压电路可以确保每只单体不超其额定电压。
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脉冲功率应用
脉冲功率应用的特征：和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间从1ms 到几秒。设计分析假定脉冲期间超级电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组成：由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系：Udrop=I(R+t/C)，它表明电容器必须有较低的R 和较高的C 压降Udrop 才小。对于多数脉冲功率应用，R 的值比C 更重要。以2.5V1.5F 为例。它的内阻Ｒ可以用直流ESR 估计，标称是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。额定容量是1.5F。对于一个0.001s 的脉冲，t/C 小于0.001Ohms。即便是0.010 的脉冲t/C也小于0.0067Ohms，显然R（0.090Ohms）决定了上式的Udrop 输出。

实例：
GSM/GPRS 无线调制解调器需要一每间隔4.6ms 达2A 的电流，该电流持续0.6 ms。这种调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA 卡上。笔记本的和PCMCIA 连接的限制输出电压3.3V+/-0.3V 笔记本提供1A 的电流。许多功 率放大器（PA）要求3.0V 的最小电压。对于笔记本电脑输出3.0V 的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V 的工作电压下（最小3.0V），允许的压降是0.6V。
选择超级电容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：0.250Ohms）。对于2A 脉冲，电池提供大约1A，超电容提供剩余的1A。根据上面的公式，由内阻引起的压降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V 它和由内阻引起的压降相比是小的。

总结
不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算．当电路的工作电压超过超级电容的工作电压时，可以用相同的电容器串联．一般地，串联应该保持平衡以确保电压平均分配．在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案。

延伸阅读：超级电容的典型应用与选型
                   聚焦超级电容选型与应用

四、超级电容的典型应用—备用电源
超级电容可以用做后备电源，类似于UPS，在系统突然断电后，负责在极短时间内为系统提供能量。在这种应用中，需要后备电源有快速的启动时间。由于超级电容是物理反应的方式储存电能，充放电速度快，相对电池有着更为快速的响应时间。

电池的充放电大概在1小时到10个小时左右，而传统用于滤波的电容，充放电在0.03秒，超级电容充放电在1秒左右，基本上是从0.1秒到10秒，这个时间正好是汽车、吊车刹车或启动的时间，其他设备比如风力发电中，风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。

在风力发电风轮机变桨时、机车、电动机、汽车、吊车启动时需要的能量远大于其正常工作时需要的能量，超级电容可以辅助电池、发动机等动力系统提供峰值功率，从而减轻电池或发动机的负担。没有超级电容时，在负载启动、维持运行和终止的过程中，能量全部由电池或发动机供给。如果加入了超级电容，负载启动 时需要的峰值功率可以由超级电容承担。 

在机车、电动机、汽车、吊车刹车时，超级电容可以重新捕获能量。这样，加入了超级电容做辅助电源，可以提高能量利用效率，延长电池或发动机寿命。同时相对于没有超级电容的动力系统，电池或发动机不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下图是超级电容辅助电池、发动机的工作模式示意图。

延伸阅读：超级电容器在电动车上的应用

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五、超级电容提供峰值功率的应用案例
集装箱龙门吊车使用柴油机做动力，当龙门下来的时候有一个动能，通常是通过刹车电阻耗散动能，刹车电阻是个耗能电阻，把电变成热耗散掉。如果使用了 超级电容，刹车的动能可以转换成电能，通过一定的电路充电到超级电容里面去，反过来当龙门上升的时候通过一定的逆行电路把超级电容的能量反馈到电机里面。

由于使用了超级电容提供峰值功率，柴油机只需要提供维持运行的较小的功率，因而柴油机的尺寸可以减小一半，同时节省了成本。类似的应用还包括叉车、混合动力汽车、轻轨或地铁。

自动抄表系统抄表时，数据发送需要非常大的能量，超级电容能够提供大的能量。下图是Maxwell超级电容在智能电表上的应用，超级电容取代锂离子电池，寿命可以延长一倍，占版面积比锂离子电池小。在自动抄表系统中的水表和气表中，超级电容配合电池，延长使用寿命。

延伸阅读：超级电容将替代可充电电池
                  超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现

六、超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能

1 蓄电池存在的问题
蓄电池是汽车中的关键的电器部件,其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程中特别是在启动瞬间,由于启动电动机转速为零,不产生感生电势,故启动电流为：1=E/Rm+Rs+Rl，其中：E为蓄电池空载端电压,RM为启动电动机的电枢电阻、RB为蓄电池内阻、RL为线路电阻。

由于RM、RB、RL均非常低,启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车,蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动过程的蓄电池电压波形如图1;启动瞬时的电流达550A,约为蓄电池的12C的放电率！启动过程的蓄电池电流波形如图2,（电流传感器的电流/电压变换比率：100A/V）。尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池,可以高倍率放电,但在图1中可以看出,10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差,而且,如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰,可以造成电气设备的“掉电”,迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电,计算机在这个过程中非常容易死机。因此,无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑,改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。  

问题的解决方案可以加大蓄电池的容量,但需要增加很多,使体积增大,这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。

2.电性能的改善 

采用超级电容器与蓄电池并联时启动过程的电压波形如图3,电流波形如图4。与图1、图2相比启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。

3 启动性能的改善
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能,将超级电容（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联启动安装1.9升柴油机的汽车,在10摄氏度时平稳启动,尽管在这种情况中,当不连接超级电容器,蓄电池也可以启动,但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。由于电源的输出功率的提高,启动速度由仅用蓄电池时的启动速度300rpm,增加到450rpm;尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上,超级电容器是非常有意义的,在零下20摄氏度时,由于蓄电池的性能大大下降,很可能不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。

4 对蓄电池应用状态的改善
超级电容器与蓄电池并联时,由于超级电容器的等效串联电阻（ESR）远低于蓄电池的内阻,因此,在启动瞬间1200A启动电流中的800A电流由超级电容器提供,蓄电池仅提供400A的电流。明显低于仅采用蓄电池的560A,有效地降低了蓄电池极板的极化,阻止了蓄电池内阻的上升使启动过程的平稳电压得到提高。最主要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命,而且也可以消除频繁启动对蓄电池寿命的影响。

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第四讲预告：
许多工程师都知道滤波电容在电源中起的作用，但在开关电源输出端用的滤波电容上，与工频电路中选用的滤波电容并不一样，下一讲我们针对电源设计中电容选型及电容滤波技术，通过实例分析帮助电源工程师了解电容在电源设计中的重要作用…

 电容选型与应用知识系列大讲台—电源设计中的电容应用实例