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超级电容常识
超级电容常识
* 来源 :http://www.263458.net * 作者 : * 发表时间 : 2019-10-09 01:33

  超级电容常识 超级电容基本知识 寿命 超级电容具有比电池更长的使用寿命,但是寿命也不是无限延长的。寿命终止失效模式为等效串联内阻的增加(ESR)升高和容量降低。超级电容实际的寿命失效取决于应用要求,比如长期置于 高温下,高电压和超电流将会导致 ESR 升高和容量降低。这些参数降低将会延长超级电容的寿命。 电压 超级电容具有推荐的额定工作电压,电压值是根据超级电容在最高的额定温度下最长寿命来设定的。如果使用电压超出额定电压,将会导致寿命缩短,若过压时间较长则内部电解液将会分解为气 体,当气体的压力逐渐增强时,118图库新跑狗图,超级电容内部将会漏液或防爆阀破裂。 极性 超级电容采用对称的电极设计,正负极具有类似的结构,当电容首次装配时,任一电极都可以被当成正极或者负极,一旦超级电容被第一次充满电时,超级电容将会形成极性化。所以我们在生产 过程中将会 100%的充放电将极性定型,同时在每一个电容的外壳上面都有一个负极标志。提醒一点:虽然超级电容可以被放电使电压降低到零电压,但是电极还是保留非常少的电荷,此时变换极 性是不可以的。超级电容按照一个方向被充电的时间越长,他们的极性就变得越强。若此时更改极性将会使电容的寿命缩短或损坏。 环境温度 能量型超级电容的正常工作温度是-25℃--70℃,功率型超级电容的正常工作温度是-40℃--60℃,温度及电压对超级电容寿命有影响。一般来说,超级电容的环境温度每升高 10℃,超级电容的寿 命就会缩短一半。也就是说在可能的情况下尽可能在最低温度下使用超级电容,那么就可以降低电容的衰减与 ESR 的升高。若低于正常室温环境下,那么可以降低电压以抵消高温对电容的负面 影响。相反在低温下提高超级电容的工作电压,可以有效的抵消超级电容在低温下内阻的升高。在高温情况下,电容内阻升高。在低温下,电容的内阻升高时暂时的,因为在低温下电解液的稠性 升高,降低了电离子的远动速度。 放电特性 超级电容放电时,是按照一条斜率曲线放电,当确定应用时超级电容的容量与内阻要求时,最重要的就是要了解电阻及容量对放电特性的影响。在高脉冲电流应用时,ESR 是重要的因素。而在低 电流应用时,容量是最重要的因素。计算公式如下: Vd=I(R+T/C) Vd 是起始工作电压与截止电压之差,I 是放电电流,R 是超级电容的(ESR),T 是放电时间,C 是电容的容量。在脉冲应用中,由于瞬间放电流很大,为减少电压的降幅,选用低内阻(ESR) 的超级电容,而在低电流应用中则需要选用高容量的超级电容。 充电方法 超级电容可用各种方法进行充电,如:恒定电流、恒定功率、恒定电压或与能量储存器,或者电源并联(如电池、DC 变换器等)。如果超级电容与电池并联,加一个低阻值串联电阻将降低超级 电容的充电电流,并提高电池的使用寿命。但是如果使用串联电阻,必须要保证电容的电压输出端是直接与应用器连接而不是通过电阻与应用器连接,否则超级电容的低内阻特性将是无效的。在 高脉冲电流放电时,许多电池系统寿命均会缩短。 超级电容最大充电电流 I 计算公式如下: I=V/5R I 是推荐的充电电流,V 是充电电压,R 是超级电容的 ESR。超级电容持续大电流或者高压充电,超级电容将会过度发热,过度发热将会导致 ESR 增加,电解液分解气化,缩短寿命、漏液、防爆 阀爆裂。如果要使用高于额定值的电流或电压充电请与生产厂商联系。 自放电与漏电流 以不同方法进行测量时自放电与漏电流在本质上是相同的,针对超级电容的结构,从正极到负极具备高的耐电流特性。也就是说保留电容电荷,需要少量的额外电流,这个电流就是漏电流。而当 移除充电电压时,电容不在负荷时,额外的电流会促使超级电容放电,称为自放电流。 电容串联 单体超级电容的电压一般为 2.5V 或 2.7V,而在许多应用领域要求高电压,超级电容可以设置串联的方法来提高工作电压。确保单一的超级电容电压不超过其最大的额定工作电压是很重要的,否 则会导致电解液分解产生气体,ESR 升高,寿命减短。 在放电或者充电时,在稳定状态下因容量和漏电流的差异,都将会导致串联的超级电容电压不平衡现象。在充电时,串联的超级电容将起到电压分配作用,因此低容量单体超级电容将承受更大的 电压。例如: 2.5V1F 的超级电容串联,两个容量分别为+20%与-20%,则电压分配如下: V1=V 供*(C1/(C1+C2)) V 供 是供给给串联两端的充电电压。 假设 V1 是+20%容量偏差的电容,若供应充电电压是 5V,则: V1=5*(1.2/(1.2+0.8))=3V 所以,为避免超出 3V 的超级电容浪涌电压范围,串联超级电容的容量必须在同一个趋势范围内。在选择上可以用主动电压平衡电路来降低因容量不平衡而产生的电压不平衡。注意大多数的电压 平衡方法都是取决于具体的应用。 主动电压平衡 主动电压平衡电路能使串联的超级电容上的电压与额定电压驱同而不管有多少电压不平衡产生。同时在确保精确的电压平衡时,主动平衡电路在稳定的状态下只有非常低的电流,只有当电压超出 平衡范围时才会产生比较大的电流,这些特性使得主动电压平衡电路是超级电容频繁充放电及如电池等能量组件使用的最理想电路。 被动电压平衡 被动电压平衡电路是忽略超级电容的低内阻直接用高电阻来做平衡电路的一种方式,采用与电容并联电阻进行分压,这就允许电流从高电压的超级电容上流至低电压的超级电容上实现电压的平衡。 最重要的是选择平衡电阻值来提供超级电容更高电流的流动而不增加超级电容的漏电流。同时要注意:“漏电流在温度升高的时候会上升的”。 被动平衡电路使用在不频繁对超级电容进行充放电的应用,同时要能够承受平衡电阻的额外电流负载时推荐使用。使用平衡电阻时,建议使用平衡电阻的应能提供最差超级电容漏电流 50 倍以上 的额外电流,根据最高使用温度选择在 3.3KΩ -22KΩ 。尽管更大阻值的平衡电阻在大多数情况下也能工作,但其不可能在不匹配的超级电容串联时起到保护作用。 逆向电压防护 当串联使用的超级电容被快速放电时,低容量超级电容的电压将潜在地变为负电压。这是不允许的,同时会降低超级电容的使用寿命。一个简单的防护逆向电压的方法是在超级电容上的两端增加 一个二极管。使用适当的额定的限流二极管替代标准的二极管,还可以保护超级电容出现过电压现象。在选择二极管时,“二极管必须能够承受电源的峰值电流”。 脉动电流 超级电容虽然有比较低的内阻,但是相对电解电容而言,其内阻还是比较大的,若应用在脉冲电流的环境中容易引起内部发热,从而导致电解液分解、ESR 增加,从而引起超级电容寿命缩短。为 了保证超级电容的使用寿命,在应用在脉冲环境中时,最好要保证超级电容表面的温度上升不超过 3℃。 比能量: 是指电容器在单位重量或单位体积下所给出的能量。(通常也叫:重量比能量、体积比能量、能量密度)单位:WH/KG、WH/L 超级电容器的能量与本身的容量与电压有关。其计算方式: E=CV?/2 (单位焦耳 J) 换算为 Wh,则 1Wh=3600j. 而比能量则为能量与重量或者体积的比。 循环寿命: 是指超级电容器经历一次充电和放电,称为一次循环或者叫一个周期。(超级电容器的循环寿命大于 100000 次) 超级电容优点 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 充电速度快,充电 10 秒~10 分钟可达到其额定容量的 95%以上; 循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达 1~50 万次,没有“记忆效应”; 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%; 功率密度高,可达 300W/KG~5000W/KG,相当于电池的 5~10 倍; 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源; 充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护; 超低温特性好,温度范围宽-40℃~+70℃; 检测方便,剩余电量可直接读出; 容量范围通常 0.1F--3000F 。 在很小的体积下达到法拉级的电容量; 无须特别的充电电路和控制放电电路 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响; 从环保的角度考虑,它是一种绿色能源; 超级电容器可焊接,因而不存在像电池接触不牢固等问题; 超级电容的应用选择 超级电容有两个主要的应用:1.高功率脉冲应用,其特征是利用较小的内阻 ESR,能瞬时流向负载大的电流。2.瞬时功率保持,其特征是利用超级电容较大的容量 C,能持续向负载提供功率,持 续时间在几毫秒至几分钟。 下面提供两种计算公式和应用实例: C(F):超级电容的标称容量 R(Ω ):超级电容的标称内阻 ESR(Ω ):1Kz 下等效串联电阻 Vwork(V):在电路中的正常工作电压 Vmin(V):器件要求的最低工作电压 t (s):在电路中要保持的时间或者脉冲持续时间 Vdrop(V):在放电或大电流脉冲结束后的总的电压降。其值: Vdrop= Vwork – Vmin I(A):负载电流 瞬时功率保持应用: 超级电容的近似公式,应依据保持所需的能量=超级电容减少的能量 保持所需的能量=1/2I(Vwork+ Vmin)t 超级电容减少的能量=1/2C(Vwork?-Vmin?) 其容量(忽略由 ESR 引起的压降)C=It(Vwork+ Vmin)/ (Vwork?-Vmin?)。 经公式转换为:C=I*t/ Vdrop 举例: 一个产品中工作电压为 5V,最低安全工作电压为 3V 的直流电机构成,直流电机要求 0.5A 保持 2 秒才能使产品可以安全工作,那么依据以上公式其容量 C 至少为 0.5F. 由于 5V 的电压已经超过单个电容的标准电压 2.5V,因此可以将 2 只电容串联。如果我们选择两只 2.5V1F 的单体串联则容量为 0.5F,由于考虑电容有-20%的容量偏差,这种选择就不能提供足够的 能量。可以考虑 1.5F 的就是-20%,其最小值 1.2F/2=0.6F。这样就能提供足够的安全余量。 脉冲功率应用: 假定产品脉冲期间超级电容是唯一的能量提供者,其总的压降由两部分组成:由超级电容器内阻引起的瞬时电压降和脉冲结束时的压降。关系如下: Vdrop=I(R+t/C) 上式表面电容器必须有较低的 R 和较高的 C,总的压降 Vdrop 才会比较小。 对于多数脉冲功率的应用中,R 值比 C 值更重要,以 2.5V1.5F 为例。它的内阻 R 可以使用直流 ESR 估计。标称是 0.075Ω (DC ESR=AC ESR*1.5).额定容量是 1.5F.对于一个 0.001s 的脉冲,t/C 小 雨 0.001Ω ,即便是 0.01S 的脉冲。t/C 也小于 R 值,显然 R 决定了以上公式 Vdrop 的输出。 例如: 在笔记本电脑 PCMCIA 卡上使用的 GSM/GRPS 无线调制解调器的产品对 R 值要求比较高。 绿索电子超级电容应用注意事项 (1)超级电容器具有固定的极性 (2)超级电容器应在标称电压下使用 (3)超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中 (4)环境温度影响超级电容器的寿命 (5)在放电的瞬间存在电压降Δ V=IR (6)不可存放于相对湿度大于 85%或含有有毒气体的场所 (7)应储存在温度-30℃~50℃、相对湿度小于 60%的环境中 (8)超级电容器用于双面电路板上时,要注意连接处不可经过电容器可触及的地方 (9)安装后,不可强行扭动或倾斜电容器 (10)在焊接过程中要避免使电容器过热(1.6mm 的印刷线)焊接后,线路板和电容器要清洗于净 (12)超级电容器串联使用时,存在单体间的电压均衡问题 (13)其它使用上的问题,请向绿索电子科技有限公司咨询或参照超级电容器使用说明的相关技术资料执行 超级电容产品的特性曲线)超级电容放电特性曲线F 为例) 恒流放电曲线)高温负载寿命曲线℃)

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