超级电容器原理及电特性详细分析

超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，跟着它的面世，怎么应用好超级电容器，进步电子线路的功能和研制新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技能领域的科技作业者的一个抢手课题。

1. 级电容器的原理及结构　

1.1 超级电容器结构

　　图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极选用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液选用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。作业时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上构成的双电层中集合的电容量c由下式确认：
　　　　　　

　　　　 
　　其间ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的间隔，s是电极界面的外外表积。

图1　超级电容器结构框图

　　由图中可见，其多孔化电极是运用多孔性的活性碳有极大的外表积在电解液中吸附着电荷，因此将具有极大的电容量并能够存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，虽然这能量密度是5%或是更少，可是这能量的贮存方法，也能够应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特征。

1.2 作业原理

　　　超级电容器是运用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与一般电容器相同，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷发生的电场效果下，在电解液与电极间的界面上构成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的触摸面上，以正负电荷之间极短空隙摆放在相反的方位上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化复原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常作业情况（一般为3V以下），如电容器两头电压超越电解液的氧化复原电极电位时，电解液将分化，为非正常情况。因为跟着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷呼应削减。由此能够看出：超级电容器的充放电进程始终是物理进程，没有化学反应。因此功能是安稳的，与运用化学反应的蓄电池是不同的。

2.3 首要特色

　　因为超级电容器的结构及作业原理使其具有如下特色：

　　图2　超级电容器结构框图

　　①.电容量大，超级电容器选用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液触摸的面积大大添加，依据电容量的计算公式，那么两极板的外表积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很简单超越1F，它的呈现使一般电容器的容量规模突然跃升了3??4个数量级，现在单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

　　②.充放电寿数很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿数很难超越1 000次，

　　③.能够供给很高的放电电流（如2700F的超级电容器额外放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池一般不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的运用寿数将大大缩短。

　　④.能够数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时刻内充满电将是极风险的或简直不行能。

　　⑤.能够在很宽的温度规模内正常作业（-40??+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下作业。

　　⑥.超级电容器用的资料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军具有毒性。

　　⑦.等效串联电阻ESR相对惯例电容器大（10F/2.5V的ESR为110mΩ）。

　　⑧.能够恣意并联运用一添加电容量，如采纳均压后，还能够串联运用。

2. 级电容器特性

　　超级电容器的首要特性：

2.1 额外容量：

　　单位：法拉（F），测验条件：规则的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规则的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额外电压后坚持2??3分钟，在规则的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时刻与电流的乘积再除以额外电压值，即：

　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　因为等效串联电阻（ESR）比一般电容器大，因此充放电时ESR发生的电压降不行疏忽，如2.7V/5 000F超级电容器的ESR为：0.4mΩ，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额外电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额外电压的14%，标明在额外电流下放电容量将为额外容量减小88.5%，这一特性将在图3中看到。

2.2 额外电压：

　　能够运用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有接受浪涌电压电压（能够短时接受的端电压，一般为额外电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额外电压（约为额外电压的1.5??3倍左右，与一般电容器的额外电压/击穿电压比值差不多。

　　图3 　2.7v/2700F超级电容器入电特性曲线

　　图4　超级电容器阻抗频率特性

2.3 额外电流：

　　5秒内放电到额外电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）

2.4 最大存储能量：

　　在额外电压是放电到零所开释的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位

2.5 能量密度：

　　最大存储能量除以超级电容器的分量或体积（Wh/kg或Wh/l）

2.6 功率密度：

　　在匹配的负载下，超级电容器发生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表明。

2.7 等效串联电阻：

　　测验条件：规则的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规则的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规则的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。一般沟通ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。

　　超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充沛添加电极面积，电极为多孔化活性炭，因为多孔化活性炭电阻率显着大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。

2.8 阻抗频率特性：

　　超级电容器的阻抗频率特性如图4，相对较大的是ESR形成平整底部的原因，超级电容器的频率特性是电容器中频率特性最差的。其原因是：一般电容器的电荷是导体中的以电子导电方法树立或泄放，而超级电容器的电荷的树立或泄放是以介质中的离子或介质电离极化完成，呼应速度相对慢；大容量电容器在制作时均选用卷绕工艺，寄生电感相对无感电容器大。

2.9 作业与存储温度：

　　一般为-40℃??+60℃或70℃，存储温度还能够高一些。

2.10 漏电流：

　　一般为10μA/F

2.11 寿数：

　　在25℃环境温度下的寿数一般在90 000小时，在60℃的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿数联系类似。寿数随环境温度缩短的原因是电解液的蒸腾丢失随温度上升。寿数终了的规范为：电容量低于额外容量20%，ESR增大到额外值的1.5倍。

2.12 循环寿数：

　　20秒充电到额外电压，恒压充电10秒，10秒放电到额外电压的一半，间歇时刻：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿数终了的规范为：电容量低于额外容量20%，ESR增大到额外值的1.5倍。

　　图5　额外温度下纹波电流与寿数的联系

　　图6　不同环境温度下纹波电流与寿数的联系

2.13 发热：

　　超级电容器经过纹波电流（充、放电）时，回发热，其发热量将跟着纹波电流的添加而。超级电容器发热的原因是纹波电流流过超级电容器的等效串联电阻（ESR）发生的功率（能量）损耗转变为热能。因为超级电容器的（ESR）较大，因此在相同纹波电流条件下发热量比一般电容器大。运用时应留意。

3. 留意事项

　　超级电容器在串联应用时特别是较大电容量是应选用均压技能以确保每一个超级电容器单体端电压再额外电压内，现在国内已有各种规格的超级电容器均压电路产品。

4. 国内外情况

　　超级电容器一般耐压为2.5??3V，也有耐压为1.6V的产品。首要有美国、德国、日本、韩国、俄罗斯和我国等国家出产。比较闻名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松劣等。我国有锦州超容等企业，从容量上看有机系的国外到达2.7V/5 000F，国内的锦州超容挨近这一水平。体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径20毫米高40毫米，3F/2.7V直径8毫米高20毫米。ESR在小容量中挨近0.3Ω.F，大容量挨近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度和功率密度别离到达5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循环寿数和寿数别离到达500 000次和90 000小时