超级电容器原理及电特性

超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。

超级电容器的原理及结构　

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，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：

                                              

                                             图1　超级电容器结构框图

　　由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以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，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这种能量的储存方式，也可以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色。

2 、工作原理
　　超级电容器是利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，与普通电容器一样，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产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，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接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，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还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

3、主要特点

　　由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 
                                             

　                               　      图2　超级电容器结构框图

　　①、电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3~4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。
　　②、充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次，

　　③、可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常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使用寿命将大大缩短。

　　④、可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。

　　⑤、可以在很宽的温度范围内正常工作（-40℃~+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。

　　⑥、超级电容器用的材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相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110mΩ）。

　　⑧、可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。
超级电容器特性
　　
1、额定容量：
　　单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2～3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即：

　　由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略，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占额定电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在额定电流下放电容量将为额定容量减小88.5%，这一特性将在图3中看到。

2、额定电压：
　　可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5~3倍左右，与普通电容器的额定电压/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

3、 额定电流：
　　5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）

4、最大存储能量：
　　在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位

5、能量密度：
　　最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）

6.、功率密度：
　　在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。

7、等效串联电阻：
　　测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流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：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。

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造成平坦底部的原因，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式建立或泄放，而超级电容器的电荷的建立或泄放是以介质中的离子或介质电离极化实现，响应速度相对慢；大容量电容器在制造时均采用卷绕工艺，寄生电感相对无感电容器大。

9、工作与存储温度：
　　通常为-40℃——+60℃或70℃，存储温度还可以高一些。

10、漏电流：
　　一般为10μA/F

11、寿命：
　　在25℃环境温度下的寿命通常在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命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

12.、循环寿命：
　　20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
                                                
                                                   图5　额定温度下纹波电流与寿命的关系
                                                
　                                              图6　不同环境温度下纹波电流与寿命的关系

13、发热：
　　超级电容器通过纹波电流（充、放电）时，回发热，其发热量将随着纹波电流的增加而。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）产生的功率（能量）损耗转变为热能。由于超级电容器的（ESR）较大，因此在同样纹波电流条件下发热量比一般电容器大。使用时应注意。

注意事项
　　超级电容器在串联应用时特别是较大电容量时应采用均压技术，以保证每一个超级电容器单体端电压再额定电压内。目前国内已有各种规格的超级电容器均压电路商品。

国内外状况
　　超级电容器通常耐压为2.5～3V，也有耐压为1.6V的产品。主要有美国、德国、日本、韩国、俄罗斯和中国等国家生产。比较知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我国有锦州超容等企业，从容量上看有机系的国外达到2.7V/5 000F，国内的锦州超容接近这一水平。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在小容量中接近0.3Ω.F，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度和功率密度分别达到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循环寿命和寿命分别达到500 000次和90 000小时。

针对超级电容充放电的研究

　　

　　超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90％以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。在电动汽车、UPS等产品上有很好的应用前景。

　　但是超级电容器参数存在离散性，即使是同一型号同一规格的超级电容器在其电压、内阻、容量等参数上都存在着不一致性，这是由制造过程中工艺和材质不均造成的。而在使用中需要采用串联的方式提高整体的输出电压，充电时大多采用先恒流后恒压的充电方式，如图1所示。充电前期采用恒流允电，当电容电压达到一定值后，即t0时刻，冉采用恒压充电，因为超级电容器的离散性，各单体到达t0时刻的时间就会不同，如果直接进行串联充电可能会使某些单体过充，而某些单体又欠充，严重危害超级电容器的使用寿命，放电时同样如此，会出现某些单体过放现象。因此保证各单体的均衡充放电，对有效发挥所储存的能量有着非常重要的意义。

1 、均压控制原理

　　文中超级电容均压部分采用逆变器和变压器均压技术实现。

　　如图2所示，均压电路由超级电容组、变压器、逆变器和升压斩波电路4部分组成。图中的二极管起到反向保护作用。通过控制信号S1、S2、S3、S4即可实现电压均衡，并可将电压高的超级电容中的能量转移到电压低的超级电容中。

　　假设有N个超级电容串联，将串联超级电容组两端总电压通过升压斩波电路接到逆变器的输入端，以补偿MOSFET及续流二极管上的导通压降，逆变器的输出接到匝数比为N的降压变压器的高压侧，则低压侧将产生振幅为N个超级电容单体电压平均值的方波。以该方波作为电压源再次对每个超级电容单体进行充电。此时由于二极管的作用，只有单体电压低于变压器低压侧电压值的超级电容才能进行充电。逆变器工作一段时间以后，即可完成超级电容的均压。

　　升压斩波电路的输出电压，即逆变器的输入电压Vi满足：

Vi=Vc+N*Vd+2Vs (1)

　　式中：Vc为N个串联超级电容两端总电压；Vd为续流二极管上的正向导通压降；Vs为MOSFET上的导通压降。

　　逆变部分采用5kHz的50％占空比的PWM波加入一定的死区时间来实现，S1，S4采用同一组信号驱动，S2，S3采用另外一组信号驱动。

　　升压斩波电路的控制信号采用20kHz的PWM波。

Boost变换器占空比公式

2、 DC／DC主电路及控制方式

　　控制电路采用一端稳压一端稳流的方式进行充放电控制，当电路工作在buck充电方式时，超级电容端进行先恒流充电到Vsc，再恒压充电；当电路工作在boost放电方式时，直流母线电乐端进行稳压控制。充放电环节采用PI控制法进行恒流或恒压充、放电。

　　采用双向buck／boost电路拓扑，控制策略是：

　　(1)、当超级电容电压Vc高于电容额定电压Vcmax时，封锁buck充电控制信号；当超级电容电压Vc下降到电压下线Vcmax时，封锁boost放电控制信号。

　　(2)、当超级电容电压Vc在电压下限Vcmax与最高电压Vcmax之间时，DC／DC变换器能够进行buck充电控制，或boost放电控制：进行buck还是boost需要根据直流母线电压Vdc、电流Idc来决定。

　　(3)、直流母线电压Vdc高于设定高压Vdcmax，进行buck充电控制；低于设定低压Vdcmin，进行boost放电控制。母线电压Vdc介于Vdcmax和Vdcmin之间是不动作，既不充电也不放电。

3 、控制系统软件流程

　　按照上述控制策略，得到如图4的程序流程图，其中5kHz逆变为均压电路中的逆变器，采用50％的PWM脉冲波来实现，不需要复杂的控制算法。20kHz升压模块完成开关管S1信号的产生。需要通过电压采集电路，得到串联电容的总电压。4个判断模块通过判断Vdc和Vc的电压范围决定对电容的充放电控制。

4 、仿真分析
         C1、C2初始电压为2．7V，C3、C4为1V，仿真70s的时候基本均压结束，电压均衡到1．81V，由于电容并联二极管的影响，电压均衡点并没有在算数平均值1．85V，并且升压斩波器也消耗一部分能量。70s之后两电容电压基本保持同步变化。

　　图6为均压系统实物图，由FPGA控制板，H桥逆变器以及驱动电路和Boost升压电路组成，FPGA控制板采用实验室自主开发的基于EP2C80 208C8N芯片的开发板来完成控制信号的中生成，5个开关管采用IRF640，驱动芯片TR2103。通过仿真验证了均压系统的可行性。

5 、结束语
　　文中简要介绍了应用超级电容所需要的几项关键技术，并通过仿真和实物验证，逆变采用50％占空比是为了使电压较高的降压速度与低压电容的升压速度相匹配，减少电能浪费。DC／DC充、放电模块能实现对超级电容器组快速可靠充、放电，输入功率大，保护可靠，充分发挥了超级电容的优势。