【導(dǎo)讀】超級(jí)電容器由于其功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(duì)于超級(jí)電容，你對(duì)它的了解有多少呢？本文將從超級(jí)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(jí)電容。
圖：超級(jí)電容
超級(jí)電容工作原理和特點(diǎn)
超級(jí)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(jí)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(shì)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(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)；若電容器兩端電壓超過(guò)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(jí)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(jí)電容器的充放電過(guò)程是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。所采用材料安全、無(wú)毒。
超級(jí)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(zhǎng)，可達(dá)50萬(wàn)次，或9萬(wàn)小時(shí)；可以提供很高的放電電流，如2700F的超級(jí)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(jí)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(lái)增加電容量，如采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。
超級(jí)電容的選擇
很多用戶都遇到相同的問(wèn)題，就是怎樣計(jì)算一定容量的超級(jí)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(jí)電容的容量，下面我們給出簡(jiǎn)單的計(jì)算公司，用戶根據(jù)這個(gè)公式，就可以簡(jiǎn)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(jí)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(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)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；
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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(jí)電容作為后備電源，在掉電后需要用超級(jí)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(jí)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(jí)電容的大功率特性應(yīng)用
1、低溫啟動(dòng)
在我國(guó)北方的冬季，因氣溫過(guò)低，以蓄電池作為啟動(dòng)電源的重卡、坦克、裝甲車等經(jīng)常難以啟動(dòng)。在低溫環(huán)境下放電能力明顯下降、內(nèi)阻急劇增加會(huì)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(dòng)困難(時(shí)間長(zhǎng))，甚至無(wú)法啟動(dòng)，影響正常的工作和軍事戰(zhàn)備。超級(jí)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(dòng)提供優(yōu)異的解決方案，并可以起到保護(hù)蓄電池、延長(zhǎng)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(dòng)就廣泛采用超級(jí)電容器應(yīng)急啟動(dòng)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(dòng)。
2、飛機(jī)啟動(dòng)
目前軍用飛機(jī)(包含直升飛機(jī))啟動(dòng)用電源車主要存在的問(wèn)題是在某些沖擊或浪涌狀態(tài)下發(fā)電機(jī)輸出功率無(wú)法滿足要求，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率急速下降甚至熄火。對(duì)于蓄電池啟動(dòng)車，可直接和蓄電池并聯(lián)超級(jí)電容器模組，以提供飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間所需的大電流，提高啟動(dòng)性能和戰(zhàn)時(shí)便攜機(jī)動(dòng)性能，縮短啟動(dòng)時(shí)間，降低瞬間大電流對(duì)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(jí)電容器作為直升機(jī)的啟動(dòng)電源起到關(guān)鍵作用，獲得軍方的好評(píng)。
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(chǔ)能器件組成儲(chǔ)能系統(tǒng)，但由于火炮在射擊過(guò)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(shì)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(wèn)題。超級(jí)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(chǔ)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(lái)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(lái)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(guò)程中由于突然加速、制動(dòng)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(lái)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(duì)其壽命有影響，如果使用超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)，發(fā)揮超級(jí)電容的大功率優(yōu)勢(shì)，可以有效地彌補(bǔ)電池功率不足的問(wèn)題。
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