阿昆聊“超级电容器”(EDLC)容量大到可以当电池用了。

来源:love爱博体育平台 作者:爱博体育官方平台下载 发布时间:2022-09-25 04:39:41 1次浏览

  如果大家有印象的话,第一次听到“超级电容”这个词应该是在初三的物理课本中电学那一块,这是阿昆我的第一记忆(不知道对错,大家可以验证一下)。

  电子专业的朋友对于电容是再熟悉不过的,平时接触的最多的就是普通陶瓷电容、电解电容、钽电容等,容量从几PF(皮法)到几千uF都有。

  平常的电路中应用到的电容一般容量是从pF-uF级别,而F(也就是法拉)这个单位只有在我们今天聊的”超级电容“(EDLC)中存在。

  上图是超级电容在电路板中的一个典型应用 ,就是给芯片供电,确保即使电源断电过程中也能保持时钟(时间)信息。如果有经验的朋友会注意到平时我们的电子手表、电子记事本,即使没有电几天,只要重装新装电池,时间也又恢复正常准确,那就是因为有超级电容的存在,它利用他的电能保持了芯片的时钟信息一直处于工作状态。其实电脑主板上也有一个纽扣电池,那个是保持电脑BISO信息的,就算关电,电脑的相关启动设置信息还是在电脑中存储着的。原理是一样,这个电池就相当于纽扣电池。

  简单地说,超级电容是一种容量非常非常非常巨大的电容(和我们普通用的电容比)。

  常规情况上,我们可以将超级电容看作是一个可充电电池,因为容量巨大,可以存储更多电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构,它能实现更高的容量。

  电容值在数十法拉左右的早期超级电容体积较大,主要用于大型电源设备。小体积低电压的超级电容则常用作消费电子设备中的短期备用电源(如上案例)。

  下面根据某厂商生产的超级电容来介绍一下超级电容EDLC的相关参数特性,供大家参考。

  超级电容具有二次电池更长久的寿命,但寿命也不是无限长的。其寿命的终止失效模式为等效串联电阻ESR升高,或容量降低。实际的终止寿命取决于实用应用要求。

  长期置于高温,高电压和高电流将会导致ESR升高或容量降低。这些参数降低可以延长超级电容的使用寿命。

  圆筒型的EDLC具有与电解电容相类似的构造、电解液、铝壳和胶料。多年使用后,EDLC内电解液也会干涸。同电解电容一样,导致ESR升高,寿命终止。

  EDLC同普通的电容一样,是有额定的工作电压。电压值是基于其在最高额定温度下最长寿命来设定。如果使用电压超出了推荐电压,结果会导致寿命缩短。如果电压持续高,EDLC内将会产生气体,导致漏液或防爆破裂。

  EDLC的电极设计具有相对称的特性,两极有相似的成本。在超级电容初次组装时,任一电极都可定为正极或负极。但在100%质量测试时第一次充电,其电极将会形成极性化。每一个超级电容负极框或符号来标识极性。尽管可以降低到零电压,其电极还是会保留非常少的电荷。虽然之前充电的EDLC会放电至-2.5V,且在容量或ESR方而至极低,但还是不应该进行反极使用。

  在一方向上保留的电荷越久,EDLC就变的越极性化。如果一方向上长期充电后再反向充电,EDLC的寿命将会大大缩短。

  EDLC超级电容根据应用特点分了DRE(高能量高密度、DRL(高能量大功率低阻抗)等类别。其中DRE系列对电容的标准温度范围是-25度--70度,DRL系列电容的标准温度范围为-40度到60度。温度以及电压会对EDLC寿命有影响。

  一般来说,温度每升高10度,EDLC就会缩短一半。因此,尽可能在最低温度下使用EDLC以降低内部劣化与ESR电阻升高。

  超级电容EDLC放电时电压呈斜线。在确定应用时的容量与ESR要求时,考虑耐压放电和电容性放电成分是很重要的。在高脉冲电流应用时,内阻值(ESR)是最为关键的。在低电流长时间应用时,电容放电特性最为关键。

  EDLC超级电容可用各种方法充电,包括恒定电流,恒定功率,恒定电压或与能量存储器、如电池、直流转换器进行并联。

  如果使用串联电阻,需确保EDLC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EDLC的低ESR无效。在高脉冲电流放电时,许多电池系统寿命会降低。

  持续大电流或高电压充电,EDLC将过度发热。过度发热会导致ESR提升。气体产生,寿命缩短,漏液。如果要使用高于额定值的电流或电压充电需与产家联系。

  以不同方法进行测量时自放电和漏电流在本质上是相同的,因为EDLC在构造上,从正极到负极具体高的耐电流特性。也即说为保留电容电荷,需要少量的额外电流,此称为漏电流。

  当充电电压移除,电容不在负荷时,额外的电流会促使EDLC放电,此称为自放电电流。

  为测量实际的漏电流或自放电数值,因构造原因,EDLC必需充电100小时以上。EDLC可模拟为几个并联的电容。每一个都有不同的ESR阻值。低串联电阻值的电容器能迅速充电从而提升终端电压达到充电电压值的一个水平。但在充电电压移除时,如果这些并联的电容器之中有未完全充电的话,电容器将会放电到具有较高串联电阻的并联电容器中。结果就是终端电压将会降低,形成高自放电电流。需注意容量越高,完全充电时间越久。

  单个DRE系列的超级电容电压限制为2.5V,DRL系列的限制在2.7V。因许多应用要求高电压,EDLC可设计为串联以提升工作电压。确保单一的EDLC的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,气体产生,ESR升高,寿命缩短。

  充电和放电时,在稳压下因容量和漏电流差异,将会产生电容器电压不平衡现象。在充电时,串联电容器将起到电压分配作用,因此低容值单体将会承受更大的电压。例如:2个1F电容器进行并联,一个电容器容量为20%,一个为-20%,电压通过电容器最差性况为:

  从以上可看出,为避免超出3V浪涌电压范围,串联电容器的容量值应在20%公差范围内。在选择上,一个合适 的主动电压平衡电路可用来降低因容值不平衡而产生的电压不平衡。需注意到大多数的电压平衡方法都取决于具体应用。

  被动电压平衡可用电压分配电阻与每个个EDLC并联实现。这可让电流从高电压到EDLC上流至低电压的EDLC上从而实现电压平衡。最重要的是选择平衡电阻值以提供EDLC更高电流的流动而不增加EDCL漏电流。需记住在高温下漏电流是会上升的。

  被动电压平衡只在不经常进行充放电使用和使用能承受平衡电阻的额外电流负载时推荐使用。建议选择的平衡电阻应有提供最差EDLC漏电流50倍以上的额外电流(根据最高使用温度选择3.3K-22K电阻)。尽管更大阻值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电容器串联时起到保护作用。

  主动电压平衡电路能使串联的EDLC的电压与额定电压驱同而不管有多少电压不平衡产生。同时确保在稳态情况下准确的电压平衡电路能有效降低电流,而且只在电容电压发生不平衡时才要求更大电流。这些使得主动电压平衡电路是EDLC频繁充放电衣如电池等能量组件使用最理想电路。

  当串联EDLC迅速放电,容量值低的电容器之上的电压将潜在的地变为负压。如之解释,此时不希望出现的且会缩短EDLC的寿命。一种简单的防护逆向电压的方法是在电容器上增加一个二极管。使用适当的额定的限流二极管代替标准二极管,还可以保护EDLC出现过电压现象。需谨慎的是确保二极管能承受电源的峰值电流。

  除非有明确的回流焊温度,否则不要对EDLC使用回流焊接,而应使用红外线或传送烤炉加热方法进行。

  EDLC相对于其它超级电容来说有很低的电阻,相比铝电解电容有更高的电阻且在纹波电流之中容易受到内部热量的影响而使用ESR升高,寿命缩短。为确保寿命,建议最大纹波电流不应使用EDLC表面温度升高3度。

  尽量避免清洁电路板,,需清洁,使用标准电路板清洁液通过无静电或超音波浸渍方法清洁,时间不超过5分钟,最高温度不高于60度。其实和普通铝电解电容一样对待即可。

  EDLC未受到运输部和IATA的规定。正确的国际运输描述是“电子产品-电容器”

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