超级电容.docx

1、超级电容超级电容 产品命名规则 一、产品型号总位数：采用 11位命名方法 二、每位表示意义 第 1位表示产品种类：C超级电容器（Supercapacitor）；H混合超级电容电池（Hybrid supercapacitor battery）第 2位表示产品外形：C圆柱型（Cylinder）；P方形（Prism）；M组件（Module）第 34位表示产品类型：HP高功率型（High power）；NP普通功率型（Normal power）；HE高能量型（High energy）；NE普通能量型（Normal energy）。第 57位表示额定电压：第 5位为有效数字，第 6位是数字则为有效数字，

2、如果是 R 则表示有小数点，如 2R5 表示 2.5V，2R7 表示 2.7V；第 7位表示有效数字后加 0 的个数，如 240 表示 24V，351表示 350V。第 810位表示额定容量：第 8位为有效数字，第 9位是数字则为有效数字，如果是 R 则表示有小数点，如 3R3 表示 3.3；第 10位表示有效数字后加 0 的个数，如 480表示 48，302 表示 3000。如果第 1 位是 H，则容量单位为 Ah；如果第 1位是 C，则容量单位为 F。第 11位特殊型号标记：如 M军品（Military）。超级电容器使用注意事项 1.超级电容器在生产过程中已确定极性，不能反向使用。2.超级

3、电容器应在标称电压下使用，超过其标称电压使用会大幅度缩短其使用寿命，甚至造成产品鼓胀及失效。3.超级电容器必须在其标称温度范围内使用，保持在较低的温度下使用，有助于延长其使用寿命。通常每降低 10寿命增加 1 倍。4.超级电容器长期存放应在温度-3050、相对湿度小于 85%的无腐蚀性的场所，并应避免阳光直晒。5.在焊接过程中避免使超级电容器过热（1.6mm 的印刷线路板，焊接过程应在260以下，时间不超过 5s）；焊接后，线路板及超级电容器可用容积或超声波清洗（70以下）；安装后，不可强行倾斜或扭动超级电容器。6.当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题；建议采购专用均压模块；也

4、可以用电阻进行简单的均压，但会增加其漏电流。7.由于超级电容器可储存很大的电能，并且其内阻很小，因此短路将产生大电流放电，需防止被电热灼伤。8.其他应用问题，请向生产厂家进行咨询或参照超级电容器使用说明的相关技术资料进行。超级电容器测试方法 1.交流内阻 测试条件为 18-25，湿度50%，电容器正负极短路 1h，测试仪器为交流内阻测试仪（预热 30分钟），频率设为 1KHz，测试电流 10mA。2.容量 测试条件为 18-25，湿度50%，将电容器正负极短路 1h，测试仪器为超级电容器测试仪（预热 30分钟）。按表 1 规定的电流值恒流充电至额定电压，再以同样电流恒流放电至 0.1 V，循环

5、测试 10次。记录 59 次的放电容量，计算平均值即为电容器的电容量。电压的计算区间为 2.0 V1.0 V。也可以手工计算，计算公式如下：其中：I测试电流（A）t从 2V放电至 1V 所用的时间（秒）V计算电压差：2V1V1（V）表 1 超级电容器容量、等效串联电阻测试所用电流值 标称容量/F 1.0 2.0 3.3 4.0 5.0 10 20 30 50 测试电流/mA 10 20 50 80 100 200 200 300 400 标称容量/F 70 100 120 200 1000 2000 3000 测试电流/mA 500 1000 1000 1800 20A 30A 40A 注：简

6、便测试方法 如图所示，电流值按表 1设置，R 按表 2选取；测量出超容两端电压升至 0.632倍额定电压所需时间 t，则超容容量：3.直流等效串联电阻（ESRDC）测试条件为 18-25，湿度50%，将电容器正负极短路 1h，测试仪器为超级电容器测试仪（预热 30分钟）。在测试仪上可直接读出直流等效串联电阻（ESRDC）。注：简便测量方法 用稳压恒流电源调至恒定电流（I）（电流值可按表 1选择）给器件充电，突然断开充电电源，用万用表、函数记录仪或示波器记录断开前后电压的变化值（V）（如下图所示）。注：为保证读数准确，应选择采样频率较快的测量仪器。4.循环性能 测试条件为 18-25，湿度50%

7、，将电容器正负极短路 1h，测试仪器为超级电容器测试仪（预热 30分钟），设置所需循环次数。容量变化率、等效串联电阻变化率 计算方法如下。可根据趋势推测 10万次时的容量、ESR，估测循环寿命。5.漏电流 IL 测试条件为：18-25，湿度50%，将电容器正负极短路 1h，稳压恒流电源预热30 分钟，电压设为额定电压，电流设为 10A；按表 2选择适当的限流电阻 R，如下图所示。准备好后接通电路开始测试，待夹具两端电压升至 2.69V时开始计时，计时到达 24h后用数字万用表测量夹具上的电阻两端电压 V，超级电容器的漏电流。表 2 超级电容器漏电流测试限流电阻 标称容量/F 1.0 2.0 3

8、.3 5.0 10 20 50 限流电阻/100 51 22 10 10 10 10 标称容量/F 70 100 120 200 1000 2000 3000 限流电阻/10 10 10 10 1 1 1 6.电流性能 6.1额定电流 室温 18-25下，先将超级电容器测试仪预热 0.5小时，再按表 1的电流将超级电容器充至额定电压，保持额定电压恒压 1小时；然后测试出 5秒中放电至 1.25V所需的电流值，即为额定电流。6.2 最大工作电流 室温 18-25下，先将超级电容器测试仪预热 0.5小时，再按表 1的电流将超级电容器充至额定电压，保持额定电压恒压 1小时；然后测试出 1秒中放电至

9、1.25V所需的电流值，即为最大工作电流。7.耐脉冲性能 室温 18-25下，先将超级电容器测试仪预热 0.5小时，再按表 1的电流将超级电容器充至 3.0 V，保持 3.0V 恒压 10 秒，然后按同样电流放电至 2.7V，在 2.73.0V（每次 3.0V时恒压 10 秒）间循环 1000次。测试器件容量 C、ESR，按下式计算容量变化率（C/C）、ESR 变化量ESR。当C5%且ESR3 倍规定值时为合格。超级电容器应用设计 摘要：超级电容器是近年来出现的一种新型能源器件，兼有常规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的优点，在交通、电力、医疗、军工等许多领域都有广泛的用途；本文以超级电容

10、器放电时端电压的变化为基础，推导出了其应用设计中容量C、等效串联电阻 ESR、串并联个数的计算公式，介绍了国内外一些公司超级电容器产品的性能指标；并以数据存储电路系统、脉冲电路系统的应用设计为例，对超级电容器应用设计方法进行了研究，同时提出了应用中应注意的一些问题。关键词：超级电容器；新型能源器件；应用方法；设计 超级电容器（supercapacitor）是近年来出现的一种新型能源器件，与常规电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉（也有人称为超大容量电容器）。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的优点，可快速充放电，而且寿命长，正在发展成为一种新型、高效、实用的能量储存装置，因此有

11、人认为它是介于充电电池和电容器之间的一种新型能源器件。美国、日本、俄罗斯等国都先后投入大量人力、物力对超级电容器进行研究开发，有些公司的产品已实现商品化。超级电容器在交通、电力、医疗、军工等许多领域都有广泛的用途，如：便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源、应急后备电源、伺服系统、脉冲设备等方面。在特定的条件下可以部分或全部替代蓄电池。应用在某些电力、机电设备上，可使其产生革命性进步。特别是在电动汽车上的应用，对提高其加速性能、爬坡能力，吸收利用刹车、颠簸能量的作用几乎是无可替代的。由于超级电容器的性能特点，使其在应用中具有明显优势，主要表现在：（1）可存储巨大的能量，容量可以从 1法

12、拉到数千法拉，工作电压可以从几伏至几百伏；能量密度比传统电容器高数十倍；（2）可大电流充放电，特别适合脉冲电路的应用；（3）可以在完全放电状态下存储，而过度放电对许多充电电池都是有害的；（4）将超级电容器与普通电源系统并联使用，可以降低对电源系统的瞬间功率要求；（5）由于超级电容器体积小、外形紧凑，便于安装，节省空间；（6）在酷热、寒冷和潮湿的环境下仍能有效工作，如可在-4060下工作；（7）超级电容器可靠性高，使用寿命三年以上，循环性寿命甚至可达十年以上；（8）超级电容器有很好的机械强度，有防火、防爆型设计；不需要维护和保养，使用安全、方便，对环境无害。1 设计基础 与普通电容器相似，超级电

13、容器也可以等效于一个电阻与一个理想电容的串联，其端电压曲线（电压-时间曲线）包括电阻压降部分与电容压降部分，电阻压降部分表示了超级电容器等效串联电阻（ESR）所引起的端电压的变化，电容压降部分表示了超级电容器内储存电量的变化所引起的端电压的变化。图 1 为超级电容器放电工作过程中端电压的变化情况示意图。充电时的情况与此相似，只是端电压是逐渐上升的。图 1中：VW工作电压；VESR等效串联电阻引起的电压降；VC电容放电引起电压降；Vmin系统允许的最小工作电压；dt放电持续时间 （4）式、（5）式就是超级电容器选型的基础，对实际设计中的参数简单分析如下：dV超级电容器放电期间端电压的变化量，它往

14、往由已知的工作电压（VW）与系统允许最小电压（Vmin）的差决定。但有时 VW、Vmin 的选择是复杂的，应以实际电路的要求确定。i超级电容器放电电流，上述公式都是假设恒电流放电进行计算的。对于脉冲电路，指的是脉冲发生时的电流恒定。当电路电流不恒定时，应考虑以有效值计算。另外，由于超级电容器本身有一定的漏电流，所以 i 的值应该加上超级电容器的漏电流，这一点对利用超级电容器电压保持功能工作的电路设计尤其要注意。C超级电容器总容量，它可以是多个超级电容器串并联的结果，其计算方法与普通电容器串并联相同，即：需要考虑到的是，脉冲周期的长短对超级电容器的容量、ESR 都是有影响的，一般产品标称的容量、

15、ESR 指的是直流条件下的值，其脉冲情况下容量、ESR 的变化情况可以向厂家详细咨询，或通过试验得到。一般短脉冲下超级电容器表现出的容量、ESR 比直流时的小。表 1、表 2分别列出了美国 Maxwell 公司和北京科技有限公司部分超级电容器产品的一些性能参数，供设计参考。金正平公司所研制的超级电容器产品，在性能上与国外同类产品相近，但价格约为国外同类型号产品的 1/3 至 1/2。表 1 美国 Maxwell 公司超级电容器产品性能 Table 1 Supercapacitor properties of Maxwell Co.性能参数 Property parameter 型号Type P

16、C5C PC10C PC100C PC1000C PC2500C 容量 Capacitnace/F 4 8 100 1000 2700 工作电压 Nominal voltage/V 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 电流 Rated current/A 2 3 30 184 400 ESR/m 330 150 15 1.85 0.85 存储能量 Stored energy/J 10.6 21.2 264.5 2645 7142 最大输出功率 Max out power/W 4.0 8.8 88.2 715 1556 漏电流*Leakage current*/mA 0.02 0.02 0.

17、03 3 7 工作温度-2060-2060-2060-2060-2060 Operating temperature/存储温度 Storage temperature/-4085-4085-4085-4085-4085 重量Weight/g 5.5 6.5 50 390 800 尺寸Dimensions/mm 17 24 4.5 24 31 4.5 25.7 33.6 16 160 75 24 164 62 62 *注：漏电流为加额定电压 72小时后的电流*Note：Leakage current is the current determined after 72 hours loaded

18、at rated voltage 表 2 北京金正平科技有限公司超级电容器产品性能 Table 2 Supercapacitor properties of Beijing Jing Zheng Ping technology Co.Ltd.类型 Type 工作电压 Nominal voltage/V 容量 Capacitor/F ESR/m 存储能量 Stored energy/KJ 最大电流 Max current/A 最大输出功率 Max out power/KW 尺寸 Dimensions/mm A型 14 55 23 5.5 600 2.1 110 210 215 14 400 7

19、40 2000 7.0 530 210 215 28 28 47 11 600 4.2 180 210 215 28 82 16 33 1800 12.6 440 210 215 42 18 60 16 700 7.4 240 210 215 42 43 30 38 1400 14.7 470 210 215 64 20 43 42 1500 24.0 480 210 215 96 8.2 64 38 1500 36.0 450 210 215 280 0.85 700 33.3 400 28.0 450 210 215 350 0.7 875 43 400 35.0 570 210 215

20、400 0.65 1000 52 400 40.0 600 210 215 B型 14 5 140 0.49 100 0.4 40 130130 14 55 18 5.39 800 2.8 270 130 135 28 2.5 280 0.98 100 0.7 60 130 130 28 17.5 47 6.86 600 4.2 310 130 135 42 1.6 420 1.41 100 1.1 85 130 130 42 8.3 93 7.32 450 4.7 330 130 135 56 1.25 560 1.96 100 1.4 105 130 130 56 3.75 187 5.8

21、8 300 4.2 280 130 135 70 3 233 7.35 300 5.3 340 130 135 84 1.65 420 5.82 200 4.2 280 130 135 98 1.43 490 6.87 200 4.9 320 130 135 112 1.25 560 7.84 200 5.6 360 130 135 180 0.4 1800 6.48 100 4.5 290 130 130 280 0.25 2800 10.19 100 7.0 430 130 130 2 设计实例 2.1 数据存储系统设计 有一数据存储系统，工作电压 4.5V，工作电流 20A，最低工作电压

22、 4.0V，现需设计电路使该系统掉电时，数据至少还能保持 12 小时。根据已知条件，工作电流为 20A；参照表 1，取超级电容器的漏电流为 20A，则掉电时超级电容器上流过的电流为 40A。由于一般功率型超级电容器的 ESR 很小，只有 10-3数量级，所以可以先忽略（5）式中的 i ESR 项，待选型后再代回检验。dV=4.5-4.0=0.5V，则根据（5）式，容量 C 为：由于电路的工作电压为 4.5V，可以选择表 1中 Maxwell 公司的 PC10C（2.3V/8F）超级电容器，两只串联得到组合单元：4.6V/4F，满足计算要求。将 PC10C 的 ESR（2150m）代入（5）式检

23、验，误差很小，说明所选型号合理。图 2为满足该数据存储系统要求的设计方案。2.2 脉冲电源系统设计 某公司的一种间断脉冲移动设备，原采用电缆供电，设备正常工作电压100VDC120VDC；控制系统、显示仪表需 1A的基本电流，执行脉冲功能时的电流为 30A。已知两个脉冲之间的最短时间间隔最短为 1秒，每个脉冲持续时间为 0.05秒。现在为了扩大设备使用范围，拟改用燃料电池供电方式。由于燃料电池的功率密度限制，如果全部采用燃料电池供电，则为了满足脉冲时的功率需要，就需并联多组燃料电池，导致设备重量、成本超过限制。因此考虑在燃料电池组上并联超级电容器来解决脉冲问题。由燃料电池提供设备所需平均功率，

24、超级电容器提供脉冲所需功率。（1）确定对燃料电池的要求 燃料电池除要给控制系统、显示仪表提供 1A的基本电流外，还要在脉冲的间隔时间里给超级电容器充电。考虑设备工作在满负荷时的极端情况，则其平均电流为：i=1+30 0.05/1=2.5A 所以对所需燃料电池的要求为 120V、2.5A。（2）求时间常数 由于在脉冲条件下，超级电容器的容量、ESR 与直流下的有所不同，因此需进行修正。根据 Maxwell 公司的详细技术资料，对于 0.05 秒的脉冲，超级电容器的容量、ESR 分别为直流下的 30%和 60%。另外该公司的产品在直流条件下，小于 500F的超级电容器产品的 RC 时间常数（即容量

25、与 ESR 的乘积）均约为 1.5秒，大于 500F的超级电容器产品的 RC 时间常数则约为 2.5秒。本例中考虑脉冲电流较小（30A），选用500F以下的产品，即 RC 时间常数为 1.5秒，则在 0.05秒的脉冲下，时间常数 为：=ESRC=1.530%60%=0.27S（3）求容量 C、ESR 根据（4）式，有：dV=i dt/C+i ESR=i（ESR+dt/C）=i ESR（1+dt/0.27）则：ESR=dV/i（1+dt/0.27），将：dV=120-100=20V、i=30A、dt=0.05S 代入，得到 0.05S 脉冲条件下：ESR 脉冲=0.56；换算为直流条件下：ESR

26、 直流=0.56/60%=0.933，则直流条件下容量：C=1.5/0.933=1.61F。（4）确定串联个数、选择型号 根据电路要求，最高工作电压为 120V，由于 Maxwell 公司单只超级电容器的工作电压为 2.3V，则根据（7）式，应串联电容器的个数：n=120/2.352 只，那么由（6）式得到每只超级电容器的容量：C 单只=1.615283.7F。根据表 1，PC100C 的容量为100F，所以可以选择 52 只 PC100C 串联。（5）检验 52只 PC100C 串联，则直流时：C 串联=100/52=1.92F，ESR 串联=0.01552=0.78；在 0.05S 的脉冲

27、下：C 串联=1.9230%0.58F，ESR 串联=0.7860%0.47。代入（4）式求出在脉冲时电压跌落值 dV：dV=30（0.47+0.05/0.58）16.7V 120V-16.7V=103.7V 可见脉冲时电压为 103.7V，高于电路要求的最低工作电压 100V，因此选型正确。即采用 52只串联的 PC100C 超级电容器组，与 120V、2.5A的燃料电池并联，可以满足该脉冲设备对电源的要求。如果生产厂家没有提供产品在脉冲条件下的性能指标，则不能直接按上述方法计算，可以先通过实验测试出其产品的脉冲性能，然后计算、选型；也可以根据容量、ESR 相近的原则，选用相近型号，然后通过

28、实验验证。在设计中应注意的是，超级电容器是一种新型的能源器件，其性能、规格还尚未规范化，各公司间产品的性能差异很大，在设计、选型时应按照生产厂家提供的产品性能并遵循其推荐的使用条件，对新场合、新用途的应用更应以实际测试实验结果为准。3 超级电容器使用要求及注意事项（1）由于功率型超级电容器内阻很小，已充电的超级电容器短路时，电流值能达到几百至几千安培。非工作状态下短路时，可产生电弧，使金属烧熔、飞溅，因此接触充电状态下的电容器时要高度小心。在放置及运输时，应处于已放电状态并带有电极短路线。（2）超级电容器充电时必须遵守标定的极性。处于完全放电时的电容充电时，相当于短路，应特别注意，建议通过一限流电阻充电，以保护供电源，防止过载。（3）使用前，应将超级电容器可靠的固定，防止意外发生。4 结论（1）超级电容器是一种性能优良的新型能源器件，同时具有普通电容器功率密度大、电池能量密度高的优点，可大电流充放电，特别适合具有脉冲要求的电子设备。（2）利用超级电容器可使许多电子设备对电源系统的要求大幅降低，电源系统只需要提供电路所需的平均功率，而超级电容器可以提供电路脉冲时所需能量。（3）超级电容器的应用设计需要掌握其容量、工作电压、内阻、漏电流、最大电流、脉冲性能等指标。参考文献（略）