超級電容工作原理、特性及應(yīng)用

　　超級電容器由于其功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等突出優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域和自然能源采集等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而對于超級電容，你對它的了解有多少呢？本文將從超級電容工作原理和特點(diǎn)、選擇及其大功率特性應(yīng)用進(jìn)行解析，讓大家更加了解超級電容。

　　超級電容工作原理和特點(diǎn)

　　超級電容是一種電容量很大的電容器。電容器的電容量取決于電極間距離和電極表面積，為了獲得更大的電容量，超級電容盡可能地縮小電極間距離、增加電極表面積。

　　當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)；若電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。隨著超級電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。不同于利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池，超級電容器的充放電過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。所采用材料安全、無毒。

　　超級電容可以在數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，充放電壽命很長，可達(dá)50萬次，或9萬小時(shí)；可以提供很高的放電電流，如2700F的超級電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A。蓄電池通常不能有如此高的放電電流，否則壽命將大大縮短。

　　超級電容器可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40℃～+70℃）；可以任意并聯(lián)使用來增加電容量，如采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。

　　超級電容的選擇

　　很多用戶都遇到相同的問題，就是怎樣計(jì)算一定容量的超級電容在以一定電流放電時(shí)的放電時(shí)間，或者根據(jù)放電電流及放電時(shí)間，怎么選擇超級電容的容量，下面我們給出簡單的計(jì)算公司，用戶根據(jù)這個(gè)公式，就可以簡單地進(jìn)行電容容量、放電電流、放電時(shí)間的推算，十分地方便。

　　超級電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時(shí)流向負(fù)載大電流；瞬時(shí)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(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用：斷電時(shí)磁盤驅(qū)動頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻（R），而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大的靜電容量（C）。

　　下面提供計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例：

　　1. C（F）： 超電容的標(biāo)稱容量；

　　2. R（Ohms）：超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻；

　　3. ESR（Ohms）：1KZ 下等效串聯(lián)電阻；

　　4. Uwork（V）：在電路中的正常工作電壓

　　5. Umin（V）：要求器件工作的最小電壓；

　　6. t（s）： 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間；

　　7. I（A）： 負(fù)載電流；

　　8. Udrop（V）：在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí)，總的電壓降；

　　瞬時(shí)功率保持應(yīng)用

　　超電容容量的近似計(jì)算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。

　　保持期間所需能量=1/2I（Uwork+ Umin）t；

　　超電容減少能量=1/2C（Uwork2 -Umin2），

　　因而，可得其容量（忽略由IR 引起的壓降）C=（Uwork+ Umin）t/（Uwork2 -Umin2）

　　如單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用超級電容作為后備電源，在掉電后需要用超級電容維持100mA的電流，持續(xù)時(shí)間為10s，單片機(jī)系統(tǒng)截止工作電壓為4.2V，那么需要多大容量的超級電容能夠保證系統(tǒng)正常工作？

　　由以上公式可知：

　　工作起始電壓 Vwork=5V；工作截止電壓 Vmin=4.2V；工作時(shí)間 t=10s；工作電源 I=0.1A所需電容容量為：

　　C=（Vwork+ Vmin）It/（ Vwork2 -Vmin2）

　　=（5+4.2）*0.1*10/（52 -4.22）

　　=1.25F

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選擇5.5V 1.5F電容就可以滿足需要了。

　　超級電容的大功率特性應(yīng)用

　　1、低溫啟動

　　在我國北方的冬季，因氣溫過低，以蓄電池作為啟動電源的重卡、坦克、裝甲車等經(jīng)常難以啟動。在低溫環(huán)境下放電能力明顯下降、內(nèi)阻急劇增加會導(dǎo)致蓄電池低溫大電流放電性能及輸出功率降低，造成車輛啟動困難（時(shí)間長），甚至無法啟動，影響正常的工作和軍事戰(zhàn)備。超級電容擁有在-40～+70℃溫度范圍內(nèi)正常工作的特性，可以為低溫啟動提供優(yōu)異的解決方案，并可以起到保護(hù)蓄電池、延長蓄電池使用壽命的作用。

　　案例：我軍某型步兵戰(zhàn)車、俄羅斯陸軍的坦克裝甲車輛在嚴(yán)寒環(huán)境中啟動就廣泛采用超級電容器應(yīng)急啟動電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)車在低溫負(fù)四十度條件下的緊急啟動。

　　2、飛機(jī)啟動

　　目前軍用飛機(jī)（包含直升飛機(jī)）啟動用電源車主要存在的問題是在某些沖擊或浪涌狀態(tài)下發(fā)電機(jī)輸出功率無法滿足要求，造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率急速下降甚至熄火。對于蓄電池啟動車，可直接和蓄電池并聯(lián)超級電容器模組，以提供飛機(jī)發(fā)動機(jī)啟動瞬間所需的大電流，提高啟動性能和戰(zhàn)時(shí)便攜機(jī)動性能，縮短啟動時(shí)間，降低瞬間大電流對蓄電池造成的損害。

　　案例：在5.12汶川地震搶險(xiǎn)救災(zāi)中，使用超級電容器作為直升機(jī)的啟動電源起到關(guān)鍵作用，獲得軍方的好評。

　　3、在近防武器中的應(yīng)用

　　艦載和陸基近程高速防空火炮系統(tǒng)使用的是外掛電源系統(tǒng)，需要電池等儲能器件組成儲能系統(tǒng)，但由于火炮在射擊過程中需要瞬時(shí)大功率的能量支持，電池的功率性能較差，頻繁大功率放電勢必使其壽命急劇衰減，同時(shí)電池還存在需定期進(jìn)行維護(hù)、高低溫性能差等一系列問題。超級電容器具有比脈沖功率較蓄電池高近十倍，可以實(shí)現(xiàn)頻繁大功率放電，免維護(hù)，高低溫性能好及比容量高出普通電容器百倍以上等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其可作為替代電池的性能優(yōu)異的儲能器件。

　　4、在車輛加速、爬坡等情況中的應(yīng)用

　　車用蓄電池必須具有一定的容量來滿足車輛的設(shè)計(jì)需要，同時(shí)還必須具有一定的峰值功率特性來滿足汽車在加速和爬坡等特殊情況下的需求。車輛在行駛過程中由于突然加速、制動或爬坡、載重等惡劣條件造成的高功率負(fù)載狀況需要蓄電池來實(shí)現(xiàn)高功率放電，而蓄電池的高功率性能不足，即使能實(shí)現(xiàn)大功率放電，也對其壽命有影響，如果使用超級電容器與蓄電池并聯(lián)，發(fā)揮超級電容的大功率優(yōu)勢，可以有效地彌補(bǔ)電池功率不足的問題。