超级电容器
第一章 简介
1.1名称
法拉电容，因为其容量为法拉级所以称其为法拉电 容。法拉是电容的单位，1F等于106µF，也等于1012PF。
超级电容。因为相对于其它种类的电容来说，其容量远远大于别的电容，可达到法拉级，所以叫超级电容。
双电层电容。在制造工艺上，电容由二层极片组成。电荷在极片上的积累存储了电量。所以有此名称。
黄金电容：因为电容刚面市时价格较高，所以叫黄金电容。
这四种叫法指的是一种产品。
从加工工艺上来说，有扣式和卷绕式二种，从材料组成上来说，有水系和有机系二种。从形状上分有扣式和柱式和方型。不同种类的产品各有不同的性能及应用场所。
1.2焊脚类型
常见的扣式电容焊脚类型V,H,C型.
1.3基本性能参数
电压。指的是允许充电的最高电压。这是由材料特性决定的。充电电压长时间超过额定值可能引起电容失效。
容量：额定电压下的电量，通常用法拉来
表
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示。电压越低，容量越小。二都成正比关系。
内阻：指的是串联等效电阻，测量是用产生频率为1kHz交流电压的内阻仪来测量的。内阻的大小与充电、放电电流有直接的关系。内阻越小，充电、放电电流可以达到越大，反之，内阻越大，可以达到的充电、放电电流越小。相应地，充电时间会延长。
充放电电流：此参数与内阻有直接关系。电流大，充放电速度快。电流小，充放电速度慢。容量小的电容充放电电流小；容量大的电容，充放电电流大。每种电容都有最大允许充放电电流，具体数据见规格书。
漏电流：指的是浮充状态下的稳定电流，以我公司生产的5.5V/0.33F为例，50μA@5.5V。电容容量越大，其漏电流越大。
自放电：法拉电容都有自放电现象，自放电率要高于电池。
寿命：电容在正常使用条件下的寿命要远远高于充电电池，通常情况下为十万次以上。伴随着使用次数的延长，容量会下降。
放电平台：电容无放电平台，电压随放电时间呈线性下降。这点与电池不同。
温度：电容使用的温度范围是-20℃~+70℃，此点性能不如微法级的电容。微法级的电解电容可达到105℃，储存温度范围为-20℃~+45℃。
时间常数（RC）： 如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数。其单位为秒，相当于将电容器恒压充电至满充容量的63.2％时所需要的时间。
理想存储能量： 电容器存储能量的理想值。对于一个最简单的电化学电容器，其理想存储能量值可以通过0.5CV2w来计算,其中C为电容器的容量，Vw为电容器的工作电压。
第二章 超级电容器的原理及结构
2.1 超级电容器结构
超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。在超级电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双集电层。超级电容器的工艺
流程
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为：配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。
图1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，如碳酸类或乙腈类。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。
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：
其中,ε是电解质的介电常数，
δ是由电极界面到离子中心的距离，
s是电极界面的表面面积。
2.2 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。
2.3 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：
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以上。功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍。
2.充放电寿命很长，可达500 000次，或50000小时，没有“记忆效应。而蓄电池的充放电寿命很难超过2000次，
3.大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%（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.充电速度快，可以数十秒到数分钟内快速充电，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上。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。
8.可以任意并联使用增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。并联时总容量增倍电压不变，串联时总容量减倍电压增倍。
2.4 超级电容器特性
超级电容器的主要特性：
1.额定容量：
单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流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：C=I*T/V。
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%，950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在此电流下放电容量减小88.5。
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%~110%），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。
3.额定电流和脉冲峰值电流：
额定电流为5秒内放电到额定电压一半的电流。脉冲峰值电流亦即最大电流，指2秒内放电到额定电压一半的电流，理论上为额定电流的2.5倍。但实际受内阻等因素的影响，实际值远小于理论值。
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：规定的恒定电流和规定的频率（大容量的100Hz，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.工作与存储温度：
通常为-40℃~+60℃或70℃，存储温度还可以高一些。
9.漏电流：
一般为10μA/F。
10.寿命：
在25℃环境温度下的寿命通常在50 000小时，在60℃的环境温度下为2000小时，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。
11.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10秒为一个循环的条件下一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%~30%，ESR增大到额定值的3~4倍。
12.发热：
超级电容器充、放电时，会发热，其发热量将随着电流的增加而增加。超级电容器发热的原因是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，因此在同样充、放电电流条件下发热量比一般电容器大，使用时应注意。
2.5注意事项
超级电容器在串联应用时特别是较大电容量是应采用均压技术以保证每一个超级电容器单体端电压在额定电压内。
2.6 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：Maxwell、Epcos、Nesscap、ELNA、NEC、Korchip、Panasonic等。我国有锦州凯美、北京集星、合众汇能、上海奥威等企业，从容量上看有机系的国外达到2.7V/5 000F，体积在逐年减小，120F/2.7V已做到直径22毫米高45毫米，3F/2.7V直径8毫米高20毫米。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。
2.7应用领域
超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型，三者在容量上大致归类为5F以下、5～200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流、长时间放电的特点，可用在小功率电子产品及电动玩具产品中。而卷绕型和大型产品则多在需要大电流短时放电，有记忆存储功能的电子产品中做后备电源，适用于带CPU的智能家电、工控和通信领域中的存储备份部件。应用举例：
1.快速充电应用，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具；
2.在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充；
3.应用于能量充足，功率匮乏的能源，如太阳能；
4.当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持；
5.小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源；
2.8如何选择超级电容器
首先，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。
超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。
以下基本参数决定您选择电容器的大小
1.最高工作电压；
2. 工作截止电压；
3.平均放电电流;
4.放电时间多长
2.9超级电容器使用注意事项
1.超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。
2.超级电容器应在标称电压下使用： 当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。
3.超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。
4.超级电容器的寿命： 外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。
5.当超级电容器被用做后备电源时的电压降： 由于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降，ΔV=IR.
6.使用中环境气体： 超级电容器不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所，这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，导致断路。
7.超级电容器的存放： 超级电容器不能置于高温、高湿的环境中，应在温度-30+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存，避免温度骤升骤降，因为这样会导致产品损坏。
8.超级电容器在双面线路板上的使用： 当超级电容器用于双面电路板上，需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。
9.当把电容器焊接在线路板上时，不可将电容器壳体接触到线路板上，不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。
10.安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
11.在焊接过程中避免使电容器过热： 若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260℃，时间不超过5s。
12.焊接后的清洗： 在电容器经过焊接后，线路板及电容器需要经过清洗，因为某些杂质可能会导致电容器短路。
13.将电容器串联使用时： 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，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。
2.10超级电容器操作使用方法
1.超级电容器的充电速率可用多种方法（如恒电流充电，恒电压充电，恒功率充电）和速率对HCC超级电容器进行充电，但充电电压不得超过电容器的工作电压。
2.超级电容器的放电速率可用多种方法（如恒电流放电，恒电压放电，恒功率放电）和速率对HCC超级电容器进行放电。需注意的是，电容器放电时电极极性不可接反（该种错误操作在放电时往往容易发生）
3.对超级电容器组进行充电，对电容器进行过充电会导致电容器工作寿命的严重衰减 提示：25℃为HCC超级电容器的最佳工作温度，在该温度下，HCC超级电容器的连续充放电寿命可达到500000次
2.11失效电容更换步骤
1.以恒定电流将电容器组充电至工作电压，同时必须以同样方法将需要更换的电容器充电至工作电压
2.测量并对比所有超级电容器（包括失效电容器和待换电容器）的开路电压，在更换失效电容器之前，所有电容器荷电量应该一致
3.断开电容器组与充电电源或负载之间的联接
注意：高电压危险并可引起打火
4.断开失效电容器与其他电容器之间的联接
警告：新更换的有效电容器的极性联接应该和失效电容器原来的极性联接一致
5.安装荷电状态有效电容器，并确保电极极性的正确联接
6.重新将电容器组与充电电源或负载联接
7.将电容器组以恒定电流充电至工作电压
8.测量并对比所有超级电容器（包括新的和旧的）的开路电压
提示：电容器单体之间电压不平衡会导致电容器组工作寿命的损失。操作步骤7的目的就是使电容器组中各单体间的电压达到平衡。
第三章 超级电容与蓄电池和传统电容的比较
3.1超级电容与蓄电池的比较
许多年以来，可充电池都是作为数据暂存后备电源或者在许多的电子时钟设计的唯一解决
办法
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。它们也作为当主电源断电或供应不足时的紧急或短时的第二电源。
在近几年里，由于电容技术的发展和前进，DLC已经成为一个和可充电池一样可供选择的可行解决
方案
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。DLC的容量从0.047F到100F,电压可从2.5V到6.3V。并且有多种形状和规格，以迎合设计时的空间考虑。以下是DLC与可充电池之间的详细比较：
1.容量：
在某些特定的尺寸里，可充电池的能量储存还是比相同尺寸的DLC大许多倍
2.重量：
自从可充电池用笨重的金属来封装后，它们一般都比DLC重得多。可充电池与DLC在外观上已经有明显的不同和尺寸增加。相同的尺寸下，电池的重量是DLC的两倍以上。
3.充电时间：
由于可充电池是靠化学反应来存储能量，所以它们再次充电一般都会耗时很长。而DLC是依靠电离子的运动来存储能量，它们只需30到60秒钟就可以充电到60％到80％的电量
4.可充次数(周期)
可充电池大概有500到1000次的使用周期。在使用次数达到几百次之后，电池的容量便会开始减少，直到最后丢失它的大部分存储能量。而DLC能够反复充／放电超过10万次以上，而不会明显减少它的存储电量。
5.充电电流：
当一个充电电池用旧了之后，通常要用一些有电流限制的电路防止一些来自冲击的充电电流来破坏电池。而DLC没有对充电电流作出限制，当然，充电电压也不允许超过电容(DLC)本身的额定电压的两倍。(当一个DLC被充电后，它的两极甚至可以短路而不会发生危险)
3.2超级电容与传统电容的区别
1.超级电容器（法拉电容量）在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。
2.传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。
3.超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些
措施
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可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（<10 Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。
4.这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。
第四章 超级电容的典型应用
超级电容(法拉电容)的典型应用—备用电源、提供峰值功率、改善汽车启动
1.超级电容的典型应用—备用电源
超级电容可以用做后备电源，类似于UPS，在系统突然断电后，负责在极短时间内为系统提供能量。在这种应用中，需要后备电源有快速的启动时间。由于超级电容是物理反应的方式储存电能，充放电速度快，相对电池有着更为快速的响应时间。
电池的充放电大概在1小时到10个小时左右，而传统用于滤波的电容，充放电在0.03秒，超级电容充放电在1秒左右，基本上是从0.1秒到10秒，这个时间正好是汽车、吊车刹车或启动的时间，其他设备比如风力发电中，风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段
在风力发电风轮机变桨时、机车、电动机、汽车、吊车启动时需要的能量远大于其正常工作时需要的能量，超级电容可以辅助电池、发动机等动力系统提供峰值功率，从而减轻电池或发动机的负担。没有超级电容时，在负载启动、维持运行和终止的过程中，能量全部由电池或发动机供给。如果加入了超级电容，负载启动时需要的峰值功率可以由超级电容承担。
在机车、电动机、汽车、吊车刹车时，超级电容可以重新捕获能量。这样，加入了超级电容做辅助电源，可以提高能量利用效率，延长电池或发动机寿命。同时相对于没有超级电容的动力系统，电池或发动机不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。
2.超级电容提供峰值功率的应用案例
集装箱龙门吊车使用柴油机做动力，当龙门下来的时候有一个动能，通常是通过刹车电阻耗散动能，刹车电阻是个耗能电阻，把电变成热耗散掉。如果使用了超级电容，刹车的动能可以转换成电能，通过一定的电路充电到超级电容里面去，反过来当龙门上升的时候通过一定的逆行电路把超级电容的能量反馈到电机里面。
由于使用了超级电容提供峰值功率，柴油机只需要提供维持运行的较小的功率，因而柴油机的尺寸可以减小一半，同时节省了成本。类似的应用还包括叉车、混合动力汽车、轻轨或地铁。
自动抄表系统抄表时，数据发送需要非常大的能量，超级电容能够提供大的能量。超级电容取代锂离子电池，寿命可以延长一倍，占版面积比锂离子电池小。在自动抄表系统中的水表和气表中，超级电容配合电池，延长使用寿命
3.超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能
（1）蓄电池存在的问题
蓄电池是汽车中的关键的电器部件,其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程中特别是在启动瞬间,由于启动电动机转速为零,不产生感生电势,故启动电流为：1=E/Rm+Rs+Rl，其中：E为蓄电池空载端电压,RM为启动电动机的电枢电阻、RB为蓄电池内阻、RL为线路电阻。
由于RM、RB、RL均非常低,启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车,蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动瞬时的电流达550A,约为蓄电池的12C的放电率！尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池,可以高倍率放电,但10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差,而且,如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰,可以造成电气设备的“掉电”,迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电,计算机在这个过程中非常容易死机。因此,无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑,改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。
问题的解决方案可以加大蓄电池的容量,但需要增加很多,使体积增大,这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题
（2）电性能的改善
采用超级电容器与蓄电池并联时启动过程的电压波形相比启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V;启动电流从560A提高到1200A;启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW;启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V;启动过程的平稳电流由280A提高到440A;启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
（3）启动性能的改善
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能,将超级电容（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联启动安装1.9升柴油机的汽车,在10摄氏度时平稳启动,尽管在这种情况中,当不连接超级电容器,蓄电池也可以启动,但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。由于电源的输出功率的提高,启动速度由仅用蓄电池时的启动速度300rpm,增加到450rpm;尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上,超级电容器是非常有意义的,在零下20摄氏度时,由于蓄电池的性能大大下降,很可能不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。
（4）对蓄电池应用状态的改善
超级电容器与蓄电池并联时,由于超级电容器的等效串联电阻（ESR）远低于蓄电池的内阻,因此,在启动瞬间1200A启动电流中的800A电流由超级电容器提供,蓄电池仅提供400A的电流。明显低于仅采用蓄电池的560A,有效地降低了蓄电池极板的极化,阻止了蓄电池内阻的上升使启动过程的平稳电压得到提高。最主要的是蓄电池极板极化的减轻不仅有利于延长蓄电池的使用寿命,而且也可以消除频繁启动对蓄电池寿命的影响。
小常识
1. 电瓶（蓄电池）12伏14安时的放电量=14*3600/12=4200 法拉(F) 。
2. 法拉（farad），简称“法”，符号是F。
3. 1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V。
4. 1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。
5. 1库仑=1安培·秒 1法拉=1安培·秒/伏特
超级电容器结构框图1
超级电容器结构框图2
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浙公网安备 33021202002483