劉革菊， 董立新

(國營第785廠，山西太原030024)

1954年，Becker首先提出了關(guān)于雙電層超級電容器的專利，之后超級電容器步入商業(yè)化階段，在數(shù)字電路和大功率應(yīng)用中迅速擴大。2000年以后，隨著超級電容器的制造技術(shù)日益完善，材料研究不斷取得進展，超級電容器的應(yīng)用得到快速的發(fā)展，成為新能源領(lǐng)域的重要技術(shù)發(fā)展方向。

1 超級電容器的基本原理、特點和主要性能指標(biāo)

1.1 超級電容器原理

根據(jù)經(jīng)典的平板電容理論，超級電容器容量計算公式如下:

式中，A為表面積;d為電介質(zhì)的厚度;εr為介質(zhì)常數(shù)。

超級電容器又叫雙電層電容器。其基本原理和微觀結(jié)構(gòu)分別如圖1所示:

圖1 超級電容器基本原理和微觀結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知超級電容器的結(jié)構(gòu)特點:

(1)超級電容器采用雙層結(jié)構(gòu)形式，而傳統(tǒng)電容器為單層結(jié)構(gòu)，加大表面積(A);

(2)超級電容器采用多孔碳材料，其面積可達到2 000 m2/g以上，實現(xiàn)了更大的表面積(A);

(3)超級電容器電荷分離開的距離d＜10?，比傳統(tǒng)電容器薄膜材料的距離更小。

1.2 超級電容器工作特性

超級電容器的特點和優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)具有法拉級的超大電容量:目前單體超級電容器的最大電容量可達5 000 F;

(2)充放電壽命長:超級電容器循環(huán)壽命可達1 000 000次;

(3)低阻抗，可提供很高的放電電流:如2 700 F的超級電容器額定放電電流不低于950 A，放電峰值電流可達1 680 A;

(4)迅速充電:超級電容器可以在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電;

(5)工作溫度范圍寬:可在－40℃ ～+70℃正常工作;(6)無污染，真正免維護;

(7)在額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出;

(8)荷電狀態(tài)(SOC)與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)。

1.3 超級電容器的主要性能指標(biāo)

主要性能指標(biāo)有:容量、內(nèi)阻、漏電流、高低溫特性、循環(huán)壽命、能量密度、功率密度等。

(1)容量:電容器存儲的容量，單位為F。

(2)內(nèi)阻:分為直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻，單位為mΩ。

(3)漏電流:恒定電壓下一定時間后測得的電流，單位為mA。

(4)能量密度:是指單位重量或單位體積的電容器所給出的能量，單位為Wh/kg或Wh/L。

(5)功率密度:單位重量或單位體積的超級電容器所給出的功率，表征超級電容器所承受電流的大小，單位為W/kg或W/L。

(6)循環(huán)壽命:超級電容器經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)?？沙^一百萬次。

2 超級電容器模組設(shè)計原理

2.1 超級電容的選擇標(biāo)準(zhǔn)

超級電容的選型和數(shù)量配置需要根據(jù)不同的應(yīng)用來判斷，選擇要素包括最大和最小工作電壓、平均電流、平均功率、峰值電流、峰值功率、工作環(huán)境溫度、運行時間、壽命等。當(dāng)電路的工作電壓超過超級電容的工作電壓時，可以用相同的電容器串聯(lián)。

最大工作電壓為Vmax(單位為伏特)，而單只超級電容的額定電壓為VR(單位為伏特)，則需要串聯(lián)的超級電容的數(shù)量的計算公式為:

平均電流為i(單位為安培)、運行時間為t(單位為秒)、最小工作電壓為Vmin(單位為伏特)，通過下面的公式，可計算出系統(tǒng)所需要的電容容值的近似值。

系統(tǒng)電容值與串并聯(lián)的電容之間的關(guān)系用下面的公式表示:

圖2為超級電容器模組爆炸圖。

2.2 超級電容器模組設(shè)計原理

超級電容器由于自身的容量、內(nèi)阻和漏電流在生產(chǎn)過程中或多或少存在著一定的差異，在由超級電容器單體通過串并聯(lián)的方式組合成超級電容器模組時，所進行的系統(tǒng)集成化工作需通過超級電容器管理系統(tǒng)(UMS)來實現(xiàn)對超級電容器模組的整體控制。

超級電容模組采用主動均壓的方式，即電壓閾值均衡方法，原理圖見圖3。其原理為:超級電容器模組ANODE與NAGATIVE兩端電壓通過R130和R134分壓后送入U1的輸入端進行檢測，當(dāng)超級電容器模組R134分壓超過閾值，U1動作驅(qū)動MOS管Q1動作，電流流過R131與Q1實現(xiàn)電壓均衡。

這種方法優(yōu)點是:過壓或電壓達到設(shè)定閾值開啟旁路，通過R131對電壓高的單體進行放電均衡，電流消耗較小，通過MOS管的選用，可實現(xiàn)較大電流的均衡。

圖2 超級電容器模組爆炸示意圖

圖3 均壓原理圖

3 超級電容工作原理

超級電容器的兩個主要應(yīng)用:高功率脈沖應(yīng)用和瞬時功率保持。

高功率脈沖應(yīng)用的特征:瞬時流向負(fù)載大電流，工作原理見圖4。

圖4 超級電容提供功率脈沖示意圖

瞬時功率保持應(yīng)用的特征:要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘，工作原理見圖5［2］。

圖5 超級電容用作瞬時峰值功率電源的工作模式

4 超級電容器應(yīng)用

4.1 高功率脈沖應(yīng)用

設(shè)計分析:假定脈沖期間超級電容是唯一的能量提供者，總的壓降由兩部分組成:超級電容器內(nèi)阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時壓降。關(guān)系如下:

上式表明:要得到小的Udrop，電容器必須有低的內(nèi)阻R和高的容量C。

以電容器2.5 V1.5 F 為例，其標(biāo)稱內(nèi)阻 R=0.075 Ohms，額定容量 C=1.5F。

如果脈沖 t=0.001s，t/C=0.001/1.5=0.000 67 Ohms?0.075 Ohms;

如果脈沖 t=0.01 s，t/C=0.01/1.5=0.006 7 Ohms?0.075 Ohms。

顯然R(0.075 Ohms)決定了上式的Udrop輸出。

對于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。

實例:

無線調(diào)制解調(diào)器需要間隔4.6 ms輸出2 A電流0.6 ms持續(xù)時間的脈沖。功率放大器要求最小電壓為3.0 V，最大工作電壓為3.6 V，允許的壓降是 0.6 V。

選擇超級電容器(C=1.5F，AC ESR=0.200 Ohms，DC ESR=0.250 Ohms)。對于2 A脈沖，電池提供大約1 A，超級電容提供剩余的1 A。

根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降:1 A×0.25 Ohms=0.25 V;

由電容C引起的壓降:I(t/C)=1×(0.6/1000×1.5)=0.04 V

因此在脈沖功率應(yīng)用要選擇合適的超級電容器內(nèi)阻。

4.2 瞬時功率保持應(yīng)用

高功率脈沖應(yīng)用是利用超級電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時功率保持是利用超級電容大的靜電容量(C)。下面是瞬時功率保持應(yīng)用的計算公式和應(yīng)用實例:

C(F):超級電容的標(biāo)稱容量;

R(Ohms):超級電容的標(biāo)稱內(nèi)阻;

ESR(Ohms):1 kZ下等效串聯(lián)電阻;

Uwork(V):在電路中正常工作電壓;

Umin(V):最小工作電壓;

t(s):要求保持時間;

Udrop(V):總的電壓降;

I(A):負(fù)載電流;

根據(jù):保持所需能量=超級電容減少能量，可以得到超級電容器容量的近似計算公式。

保持所需能量=1/2I(Uwork+Umin)t;

超級電容減少能量=1/2C(Uwork

2－Umin

2)，

因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)

C=(Uwork+Umin)It/(Uwork

2－Umin

2)

實例:

在某隨動系統(tǒng)中，系統(tǒng)由220 V交流母線、超級電容充器(功率1 000 W)、超級電容模組、伺服控制器和伺服電機組成。由220 V交流母線通過超級電容充器給超級電容模組充電，當(dāng)超級電容模組充電至額定工作電壓360 V后，轉(zhuǎn)為恒壓充電模式，保持超級電容模組的工作電壓;當(dāng)伺服電機需要啟動時，由超級電容模組放電驅(qū)動伺服控制器，由伺服控制器驅(qū)動伺服電機完成工作。電機峰值功率為8 kW，持續(xù)工作4 s。

針對設(shè)計輸入中提到的360 V工作電壓，可用90 V/9.6 F標(biāo)準(zhǔn)模組4組串聯(lián)。

根據(jù)設(shè)計輸入要求，則需要超級電容器放電總能量:

超級電容器模組預(yù)設(shè)為90 V/9.6F模塊串聯(lián)4組，組成360 V/2.4F模組，最高內(nèi)阻＜400 mΩ。則在最高電壓時，工作電流為I=8 kW/360 V=22.2 A.

因內(nèi)阻造成的電壓降U內(nèi)阻=I×r=22.2 A×400 mΩ=8.9 V .

最大電流出現(xiàn)在工作電壓 =310 V，最大電流為I=8 kW/310 V=25.8 A .

則超級電容模組工作到310V時，最多可釋放能量為:

此釋放功率和能量為90 V/9.6F標(biāo)準(zhǔn)模組可承受范圍內(nèi)。

因此，系統(tǒng)可設(shè)計為由90 V/9.6F標(biāo)準(zhǔn)模組經(jīng)過4組串聯(lián)的方式組合成360 V/2.4F超級電容儲能系統(tǒng)。

5 結(jié)論

超級電容器已應(yīng)用于計算機電子、消費電子、工業(yè)電子、汽車電子、新能源和軍事領(lǐng)域，相信隨著碳材料的進步，制備技術(shù)的完善，能量密度的提升，體積的縮小，價格的降低，超級電容器將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

［1］馬奎安，陳敏.超級電容器儲能系統(tǒng)充電模式控制設(shè)計［J］.機電工程，2010(7):85 －88.