超級(jí)電容器：備用電源解決方案

需要瞬時(shí)備用電源的應(yīng)用的增多促使對(duì)超級(jí)電容器的需求增加。超級(jí)電容器(supercapacitor，也稱(chēng)為ultracapacitor)，是具有比常規(guī)電容器存儲(chǔ)更多能量的能力的電化學(xué)電容器。超級(jí)電容器可以比電池更快的充電和提供能量。圖1比較了常規(guī)電容器、超級(jí)電容器、常規(guī)電池和燃料電池的功率和能量密度。

圖1：不同能量存儲(chǔ)設(shè)備的能量與功率密度

超級(jí)電容器的顯著優(yōu)點(diǎn)是其在老化之前可以循環(huán)數(shù)千次，而電池則只能循環(huán)數(shù)百次。

此外，與圖2所示的電池相比，超級(jí)電容器具有深度放電的能力。然而，由于電解質(zhì)的分解電壓，大多數(shù)超級(jí)電容器的最大額定值為2.7V-3V。

圖2比較了超級(jí)電容器和電池的充電/放電曲線(xiàn)。

圖 2：超級(jí)電容器和電池的充電/放電循環(huán)

超級(jí)電容器的最新發(fā)展已經(jīng)引入可充電至較高電壓(高達(dá)4V)的鋰離子混合電容器，該電容器自放電較少，因此具有較高的能量密度。這些超級(jí)電容器的缺點(diǎn)是不能放電到低于約2.2V，否則將被損壞。

超級(jí)電容器的組成使得它們的自放電率明顯高于電池。超級(jí)電容器的工作溫度越高，充電的電壓越高，老化越快;超級(jí)電容器的電容會(huì)減小，等效串聯(lián)電阻(ESR)增加。這意味著超級(jí)電容器可以為應(yīng)用提供的能量減少。超級(jí)電容器的能量可以用公式1表示：

W是超級(jí)電容器提供的能量，C是超級(jí)電容器的電容，V是超級(jí)電容器的電壓。電容器的ESR增加了系統(tǒng)的功率損耗。

圖3顯示了溫度和電壓對(duì)超級(jí)電容器老化的影響。溫度僅僅增加10°可以將超級(jí)電容器的壽命減少一半。此外，通常的做法是將超級(jí)電容器充電至低于標(biāo)稱(chēng)電壓的電壓，以增加其壽命。

圖3：超級(jí)電容器不同溫度下的使用壽命與電容器電壓

由于超級(jí)電容器充電的最大電壓在2.7V和3V之間，因此，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)有必要串聯(lián)連接幾個(gè)超級(jí)電容器。因此，必須平衡超級(jí)電容器;否則一個(gè)單元可能比另一個(gè)單元更多地充電，導(dǎo)致不相等的電容器老化，降低電容器組為應(yīng)用提供所需能量的能力。

平衡超級(jí)電容器采用的方法包括：使用電阻器串的無(wú)源平衡，使用開(kāi)關(guān)電阻器，使用齊納二極管和有源平衡。前三種方法會(huì)導(dǎo)致電阻器中的功率損耗，第四種方法是最有效的，但也是最貴的。

當(dāng)超級(jí)電容器用于備用電源應(yīng)用時(shí)，必須監(jiān)控其電容和ESR，以確保能夠提供應(yīng)用所需的最低能量。