超级电容的选用及其常见应用电路性能比较
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摘 要：超级电容又常称法拉电容和双电层电容等，由于其具有功率密度高、使用寿命长等优点，在一些领域得到了较为广泛的应用。但对于初次使用的工程技术人员而言，需要系统全面的了解超级电容的概况、选用、测试和应用方法。文章从实际出发，围绕以上要点进行了详细全面的介绍，并提供了具体的真实产品设计案例，希望对工程技术人员的选用提供一定的借鉴参考。
关键词：超级电容;法拉电容;超级电容选用;超级电容应用电路
中图分类号：TM53 文献标志码：A 文章编号：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 超级电容的定义、作用和优点
超级电容器又称法拉电容、黄金电容、双电层电容、电化学电容器等，最早开始研发超级电容的时间可以追溯到上世纪七八十年代，是一种可以存储大量电荷的电容，其单体最高容量可达五千法拉[1]。
超级电容显著优点在于：（1）功率密度高，其功率密度是普通电池的10-100倍，可达10kW/kg。具有大电流充放电的特性，因此充电速度也快，一般在几十秒至数分钟内可以充到其额定容量的95%以上[2]。（2）能量密度高，可达1-5kW/kg，此参数不及锂电池，故储能效果劣于普通电池，但比传统电容器高1个数量级。（3）使用寿命长，超级电容的充放电次数寿命可达1万至10万次，而普通二次电池则一般最高在1000次左右[3]。（4）低温性能优，产品普遍可在-40至70摄氏度之间工作，而普通电池的低温衰减特性非常明显。（5）环保无污染，超级电容整个生产过程链条中污染小，尤其是碳基电容，成本低，绿色环保[4]。（6）可以通过串联、并联的方式提高端电压或增加容量。基于这些优点，超级电容在纯电动或混合动力汽车增加瞬间功率、智能电网提供短时供电和缓冲能量、工业设备和小型电子设备等场合中都得到了广泛的应用。
2 超级电容的种类、规格及性能指标
超级电容按其工作原理可分为双电层超级电容、法拉第准超级电容及混合型超级电容，按体积和制造工艺可分为纽扣型、卷绕型和大型三种，纽扣型容量通常在5F以下，卷绕型容量一般在5～200F之间，大型则为200F以上[5]。另外也可根据电解液种类、活性材料类型等进行分类。单体超级电容的耐压一般不超过2.7V。
由于功率密度受限、研究成果推进和产业化速度较慢等原因，目前大規模生产的超级电容主要采用双电层结构。“双电层”名称的来源是当电容的两极施加电压之后，电容的两极会分别吸附电解液中的正负离子以极小的间隙排列，从而形成类似“双层”的电荷层界面，故称为双电层。在超级电容的选择过程中，应注重电容的额定容量、额定电压、ESR、额定电流和功率密度等重要参数。同时在频繁快速充放电的场合，由于超级电容易发热导致电容被击穿烧毁，则不宜采用。
3 常见超级电容的选用原则及测试方法
超级电容的额定电压、额定电流需根据应用场景选择，对应的ESR则需同时估计负载的等效电阻，所选电容ESR越小代表所能输出的功率越大，工作效率越高，可以采用数字电桥调节到指定频率进行测量。
至于超级电容容量的选择标准，则可以借鉴如下计算方法。第一种情况是恒电流输出模式，由于电流乘以时间是电容器初始和放电结束之间的电量差，可以推导出电容量的计算公式为C=（式1），其中I为恒电流输出模式时的电流大小，t为电容所要求供电的时间，U为电容放电时的初始电压，U为电容放电结束时所应具备的电压。第二种情况是恒功率输出模式，可以根据功率乘以时间等于电容初始和放电结束之间的电能差，推导出C=（式2），各符号代表的物理意义同前所述。但在实际应用时，由于电容制造偏差及电路损耗等各因素，在选用时应比理论计算偏大，这是一种保险的做法。
而超级电容的容量，则可以采用恒流放电法、放电能量法和时间常数法等进行测试[6]。恒流放电法是指搭建恒流放电装置，先将电容在额定电压下充电并保持30分钟，后通过式1进行电压和电流测量记载并进行运算的方式得到容值。放电能量法在实施时也是先将电容在额定电压下充电并保持足够时间，后通过恒阻放电，期间不断采集电路所消耗的功率，将这些功率数值对时间进行积分就是该时间段内电容所存储的能量，后可参考式2将功率以计算数值代入，也可大致求得容值大小。时间常数法则是通过测量充电时间常数或放电时间常数的方法计算容值。不难看出，在实验装置及过程要求等方面，恒流放电法较为简易。 4 超级电容常见应用电路简介及性能比较
在实际使用时，由于出厂超级电容的容量、漏电流、ESR的不统一，导致超级电容在串并联使用时需做均压均流处理。超级电容并联一般是为了达到提高储能的作用，相同电压充电时容值可以不同，但要注意各个电容之间的电流平衡问题以及相互隔离，可以考虑采用二极管等元件搭建电路避免由于放电后电势差产生的相互反向充电。
在实际中使用更多是将超级电容以串联形式进行组合以提高端电压，但超级电容的串联需要考虑电压均衡，常见的均衡方案可分为能耗型和回馈型两类[7]。现将这些方案优缺点进行罗列对比，见表1。
虽然能耗型均压方案有一定的能量损耗，但鉴于其简单和低成本的特点，在许多简单控制领域得到了广泛使用。现提供一个基于能耗型均衡方案的具体设计案例供参考借鉴，本电路已在实际产品中得以运用，见图1。
实际电路中，超级电容1和超级电容2为两个标称1.5F、耐压2.7V的超级电容。超级电容通过受控电源进行恒压充电。该设计借鉴开关电阻均衡法的原理，通过电压监测单元（本案例使用STM1061N27WX6F芯片）监测电容两端的电压变化，同时输出对应电平控制后端MOS管打开或关闭，从而控制电阻网络对电容进行放电或充电。此外，本方案具备电容击穿防护功能，若超级电容工作中发生击穿倾向，可通过电流采集和放大电路控制MOS管來关闭受控电源，有效保护电容和电路。该均衡电路不仅电路简单，而且可靠性高，可在小功率充放电控制电路中借鉴采用。
5 结束语
虽然超级电容也存在能量密度远低于电池、成本偏高等缺点，但其优点同样突出。本文从实际应用出发，较为系统的介绍了超级电容的功能、类别、选用原则和测试方法，较为详细的介绍了超级电容串并联应用电路的特性和注意点，并给出了具体的设计案例。对于计划采用超级电容进行蓄电方案设计的工程技术人员，具有一定的借鉴意义和参考价值。
参考文献：
[1]李慧，徐媛，盛志兵，等.超级电容器的应用与发展[J].江西化工，2013（01）：9-11.
[2]高晓林.电容器大家族的新贵——超级电容器[J].电力电容器与无功补偿，2010，31（06）：26-28.
[3]周新民，孙晖.新型储能元件综述——超级电容及其应用[J].变频器世界，2009（06）：28-30.
[4]刘晓臣.超级电容器工作原理及应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（S1）：111-114.
[5]于凌宇，冯玉萍.世界超级电容器发展动态[J].今日电子，2008（12）：53-55.
[6]田华亭.AGV用超级电容与蓄电池电电混合的实验研究[D].昆明理工大学，2010.
[7]柴庆冕.超级电容器储能系统充放电控制策略的研究[D].北京交通大学，2010.
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