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超级电容器应用设计
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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-40℃～60℃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
根据电容器原理：
式中：i——电流/a；
c——容量/f；
dvc——因电容放电引起的电压变化量/v；
dt——放电持续时间/s。
由（1）式可得：
（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、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.
*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 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.
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