超級電容器原理及電特性

1、超級電容器原理及電特性Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor 遼寧工學院 陳永真 孟麗囡 寧武Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology摘 要：敘述了超級電容器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，比較全面地介紹了超級電容器的特點和在特定測試條件下的電特性，分析了如較大的ESR、發(fā)熱等特殊電特性產(chǎn)生的原因，提出一些注意事項。關(guān)鍵詞：超級電容器 ESR 放電電流Abstract: Basic structure & principle of ultra-capacitor are desc

2、ribed in this paper. The characteristics about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some attentions are also put forward.Key words:

3、ultra-capacitor ESR Discharging current超級電容器是一種高能量密度的無源儲能元件，隨著它的問世，如何應用好超級電容器，提高電子線路的性能和研發(fā)新的電路、電子線路及應用領(lǐng)域是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的科技工作者的一個熱門課題。1. 級電容器的原理及結(jié)構(gòu)1.1 超級電容器結(jié)構(gòu) 圖一為超級電容器的模型，超級電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作時，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層

4、中聚集的電容量c由下式確定： 其中是電解質(zhì)的介電常數(shù)，是由電極界面到離子中心的距離，s是電極界面的表面面積。圖1超級電容器結(jié)構(gòu)框圖由圖中可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性碳有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量，超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。電池相較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，但是這能量的儲存方式，也可以應用在傳統(tǒng)電池不足之處與短時高峰值電流之中。這種超級電容器有幾點比電池好的特色。1.2 工作原理超級電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極

5、存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，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)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電 ，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理

6、過程，沒有化學反應。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學反應的蓄電池是不同的。2.3 主要特點由于超級電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點： 圖1超級電容器結(jié)構(gòu)框圖.電容量大，超級電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3?4個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達5000F。.充放電壽命很長，可達500 000次，或90 000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1 000次，.可以提供很高的放電電流（如2700F的超級電容

7、器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流一些高放電電流的蓄電池在雜如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。.可以數(shù)十秒到書分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時間內(nèi)充滿電將是極危險的或幾乎不可能。.可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40?+70）而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。.超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。.等效串聯(lián)電阻ESR相對常規(guī)電容器大（10F/2.5V的ESR為110m）。.可以任意并聯(lián)使用一增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。2. 級電容器特性超級電容器的主要特性： 2.1

8、額定容量：單位：法拉（F），測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2?3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5 000F超級電容器的ESR為：0.4m，在100A電流放電時的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%，這一特性將在圖3中看到。2.2

9、 額定電壓：可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實際上超級電容器的擊穿電壓遠高于額定電壓（約為額定電壓的1.5?3倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。圖4超級電容器阻抗頻率特性 圖3 2.7v/2700F超級電容器入電特性曲線2.3 額定電流：5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）2.4 最大存儲能量：在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時（Wh）為單位2.5 能量密度：最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積（Wh

10、/kg或Wh/l）2.6 功率密度：在匹配的負載下，超級電容器產(chǎn)生電/熱效應各半時的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。2.7 等效串聯(lián)電阻：測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。超級電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。2.8 阻抗頻率特性超級電容器的阻抗頻率特性如圖4，相對較大的是ESR造成平

11、坦底部的原因，超級電容器的頻率特性是電容器中頻率特性最差的。其原因是：一般電容器的電荷是導體中的以電子導電方式建立或泄放，而超級電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實現(xiàn)，響應速度相對慢；大容量電容器在制造時均采用卷繞工藝，寄生電感相對無感電容器大。2.9 工作與存儲溫度：通常為-40?+60或70，存儲溫度還可以高一些。2.10 漏電流：一般為10A/F2.11 壽命：在25環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時，在60的環(huán)境溫度下為4 000小時，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標準為：電容量低于額定容量20

12、%，ESR增大到額定值的1.5倍。2.12 循環(huán)壽命：20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一個循環(huán)。一般可達500000次。壽命終了的標準為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍圖6不同環(huán)境溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系圖5額定溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系2.13 發(fā)熱：超級電容器通過紋波電流（充、放電）時，回發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著紋波電流的增加而。超級電容器發(fā)熱的原因是紋波電流流過超級電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。由于超級電容器的（ESR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。使用時應注

13、意。3. 注意事項超級電容器在串聯(lián)應用時特別是較大電容量是應采用均壓技術(shù)以保證每一個超級電容器單體端電壓再額定電壓內(nèi)，目前國內(nèi)已有各種規(guī)格的超級電容器均壓電路商品。4. 國內(nèi)外狀況超級電容器通常耐壓為2.5?3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國、德國、日本、韓國、俄羅斯和中國等國家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我國有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機系的國外達到2.7V/5 000F，國內(nèi)的錦州超容接近這一水平。體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑20毫米高40毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。ESR在小容量中接

14、近0.3.F，大容量接近0.45.F，0.5.F。能量密度和功率密度分別達到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循環(huán)壽命和壽命分別達到500 000次和90 000小時。雙層電容與電池的比較Comparison of Double Layer Capacitors and BatteriesFrom：ELNAFor many years，rechargeable batteries are the only solution for temporary memory back of data of timing clock in various elect

15、ronic devices.They are also been used as an emergency or short-term Secondary power source during the events when the ptimary power source is not sufficient.許多年以來，可充電池都是作為數(shù)據(jù)暫存后備電源或者在許多的電子時鐘設(shè)計的唯一解決辦法。它們也作為當主電源斷電或供應不足時的緊急或短時的第二電源。In the recent years，due to the advance in the capacitor development，the

16、double laver capacitors (DLC) have become a viable alternative solution to the rechargeable batteries.ELNA has introduced a full range of double layer capacitors (Dynacap) to meet the requirements of various designsThe Dynacap ranges from 0.047F up to 100F, with voltages from 2.5V to 6.3V (depending

17、 on the series)And they come in various shapes to fit the space consideration of the desinersThe information below is a comparison of pros and cons between the rechargeable batteries and double lavercapacitors(DLC)在進來的幾年里，由于電容技術(shù)的發(fā)展和前進，DLC已經(jīng)成為一個和可充電池一樣可供選擇的可行解決方案。ELNA已經(jīng)開發(fā)出的全范圍的DLC可以滿足多方面的設(shè)計要求。DLC的容量從

18、0.047F到100F,電壓可從2.5V到6.3V。并且有多種形狀和規(guī)格，以迎合設(shè)計時的空間考慮。以下是DLC與可充電池之間的詳細比較：Capacity：For any given size，the energy storage capacity of the rechargeable batteries are still many times greater than he DLC of the same size容量：在某些特定的尺寸里，可充電池的能量儲存還是比相同尺寸的DLC大許多倍。Since rechargeable batteries usually contain heavy

19、metalsThey generally Weight much more than the DLC.The difference becomes more apparent as the size increase,a rechargeable batteries could weight more than twice of a DLC of the same size.重量：自從可充電池用笨重的金屬來封裝后，它們一般都比DLC重得多?？沙潆姵嘏cDLC在外觀上已經(jīng)有明顯的不同和尺寸增加。相同的尺寸下，電池的重量是DLC的兩倍以上。Recharge Time：Since rechargeab

20、le batteries stores energy bychemical reactions,it generally takes much longer to rechargeOn the other hand,the DLC stores energy by the movemnt ofions，it could be 60% to 80% charge in just 30 to 60 seconds充電時間：由于可充電池是靠化學反應來存儲能量，所以它們再次充電一般都會耗時很長。而DLC是依靠電離子的運動來存儲能量，它們只需30到60秒鐘就可以充電到60到80的電量。Recharge

21、Cycles：Rechargeable batteries have about 500 tO 1000 life cyclesAfter been charge and recharged for a few hundred times，the capacity of the batteries would star to decrease,and finally lost most of their storagecapacityThe DLC could be charged and discharge for more than 1 million times without any reduction to its energy storage capacity.可充次數(shù)(周期)可充電池大概有500到1000次的使用周期。在使用次數(shù)達到幾百次之后，電池的容量便會開始減少，直到最后丟失它的大部分存儲能量。而DLC能夠反復充放電超過100萬次以上，而不會減少它的存儲電量。Charging Current：When a rechargeable batteries is usedSome current limiting circuit is usually needed to prevent any rush charging