超級電容器是一種高能量密度的無源儲能元件，隨著它的問世，如何應(yīng)用好超級電容器，提高電子線路的性能和研發(fā)新的電路、電子線路及應(yīng)用領(lǐng)域是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的科技工作者的一個熱門課題。
超級電容器的原理及結(jié)構(gòu)
1 、超級電容器結(jié)構(gòu)
圖一為超級電容器的模型，超級電容器中，多孔化電極采用活性炭粉和活性炭和活性炭纖維，電解液采用有機(jī)電解質(zhì)，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作時，在可極化電極和電解質(zhì)溶液之間界面上形成的雙電層中聚集的電容量c由下式確定：
圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)框圖
由圖中可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性碳有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量，超級電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。電池相較之間，盡管這能量密度是5%或是更少，但是這種能量的儲存方式，也可以應(yīng)用在傳統(tǒng)電池不足之處與短時高峰值電流之中。這種超級電容器有幾點(diǎn)比電池好的特色。
2 、工作原理
超級電容器是利用雙電層原理的電容器，原理示意圖如圖2。當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。
當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。
3、主要特點(diǎn)
由于超級電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點(diǎn)：
圖2 超級電容器結(jié)構(gòu)框圖
?、?、電容量大，超級電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3~4個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達(dá)5000F。
②、充放電壽命很長，可達(dá)500 000次，或90 000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1 000次，
?、邸⒖梢蕴峁┖芨叩姆烹婋娏鳎ㄈ?700F的超級電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流一些高放電電流的蓄電池在雜如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。
?、堋⒖梢詳?shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。
?、?、可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40℃~+70℃）而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。
?、蕖⒊夒娙萜饔玫牟牧鲜前踩暮蜔o毒的，而鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池軍具有毒性。
⑦、等效串聯(lián)電阻ESR相對常規(guī)電容器大（10F/2.5V的ESR為110mΩ）。
?、唷⒖梢匀我獠⒙?lián)使用一增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。
超級電容器特性
1、額定容量： 單位：法拉（F），測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2～3分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，即：
由于等效串聯(lián)電阻（ESR）比普通電容器大，因而充放電時ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，如2.7V/5 000F超級電容器的ESR為：0.4mΩ，在100A電流放電時的ESR電壓降為40mV占額定電壓的1.5%，在950A電流放電時的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，表明在額定電流下放電容量將為額定容量減小88.5%，這一特性將在圖3中看到。
2、額定電壓： 可以使用的最高安全端電壓（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久將來的3V），除此之外還有承受浪涌電壓電壓（可以短時承受的端電壓，通常為額定電壓的105%），實(shí)際上超級電容器的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓（約為額定電壓的1.5~3倍左右，與普通電容器的額定電壓/擊穿電壓比值差不多。
圖3 2.7v/2700F超級電容器入電特性曲線
圖4 超級電容器阻抗頻率特性
3、 額定電流：
5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流（脈沖峰值電流）
4、最大存儲能量：
在額定電壓是放電到零所釋放的能量，以焦耳（J）或瓦時（Wh）為單位
5、能量密度：
最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積（Wh/kg或Wh/l）
6.、功率密度：
在匹配的負(fù)載下，超級電容器產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時的放電功率，用kW/kg或kW/l表示。
7、等效串聯(lián)電阻： 測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。通常交流ESR比直流ESR小，隨溫度上升而減小。
超級電容器等效串聯(lián)電阻較大的原因是：為充分增加電極面積，電極為多孔化活性炭，由于多孔化活性炭電阻率明顯大于金屬，從而使超級電容器的ESR較其它電容器的大。
8、阻抗頻率特性：
超級電容器的阻抗頻率特性如圖4，相對較大的是ESR造成平坦底部的原因，超級電容器的頻率特性是電容器中頻率特性最差的。其原因是：一般電容器的電荷是導(dǎo)體中的以電子導(dǎo)電方式建立或泄放，而超級電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度相對慢；大容量電容器在制造時均采用卷繞工藝，寄生電感相對無感電容器大。
9、工作與存儲溫度： 通常為-40℃——+60℃或70℃，存儲溫度還可以高一些。
10、漏電流：
一般為10μA/F
11、壽命： 在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時，在60℃的環(huán)境溫度下為4 000小時，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
12.、循環(huán)壽命： 20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一個循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5倍。
圖5 額定溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系
圖6 不同環(huán)境溫度下紋波電流與壽命的關(guān)系
13、發(fā)熱： 超級電容器通過紋波電流（充、放電）時，回發(fā)熱，其發(fā)熱量將隨著紋波電流的增加而。超級電容器發(fā)熱的原因是紋波電流流過超級電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）產(chǎn)生的功率（能量）損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｓ捎诔夒娙萜鞯模‥SR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。使用時應(yīng)注意。
注意事項(xiàng) 超級電容器在串聯(lián)應(yīng)用時特別是較大電容量時應(yīng)采用均壓技術(shù)，以保證每一個超級電容器單體端電壓再額定電壓內(nèi)。目前國內(nèi)已有各種規(guī)格的超級電容器均壓電路商品。
國內(nèi)外狀況 超級電容器通常耐壓為2.5～3V，也有耐壓為1.6V的產(chǎn)品。主要有美國、德國、日本、韓國、俄羅斯和中國等國家生產(chǎn)。比較知名的公司有：Maxweii、Epcos、Nesscep、ELNA、NEC、松下等。我國有錦州超容等企業(yè)，從容量上看有機(jī)系的國外達(dá)到2.7V/5 000F，國內(nèi)的錦州超容接近這一水平。體積在逐年減小，120F/2.7V已做到直徑20毫米高40毫米，3F/2.7V直徑8毫米高20毫米。ESR在小容量中接近0.3Ω.F，大容量接近0.45Ω.F，0.5Ω.F。能量密度和功率密度分別達(dá)到5.82Wh/kg、7.11Wh/l、5.24Kw/kg、6.4kW/l，循環(huán)壽命和壽命分別達(dá)到500 000次和90 000小時。
針對超級電容充放電的研究
超級電容是近年發(fā)展快速的一種大容量儲能器件，具有功率密度高、充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級電容具有90％以上的充放電效率，充放電電流可達(dá)數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達(dá)10萬次以上。在電動汽車、UPS等產(chǎn)品上有很好的應(yīng)用前景。
但是超級電容器參數(shù)存在離散性，即使是同一型號同一規(guī)格的超級電容器在其電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上都存在著不一致性，這是由制造過程中工藝和材質(zhì)不均造成的。而在使用中需要采用串聯(lián)的方式提高整體的輸出電壓，充電時大多采用先恒流后恒壓的充電方式，如圖1所示。充電前期采用恒流允電，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定值后，即t0時刻，冉采用恒壓充電，因?yàn)槌夒娙萜鞯碾x散性，各單體到達(dá)t0時刻的時間就會不同，如果直接進(jìn)行串聯(lián)充電可能會使某些單體過充，而某些單體又欠充，嚴(yán)重危害超級電容器的使用壽命，放電時同樣如此，會出現(xiàn)某些單體過放現(xiàn)象。因此保證各單體的均衡充放電，對有效發(fā)揮所儲存的能量有著非常重要的意義。
1 、均壓控制原理
文中超級電容均壓部分采用逆變器和變壓器均壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
如圖2所示，均壓電路由超級電容組、變壓器、逆變器和升壓斬波電路4部分組成。圖中的二極管起到反向保護(hù)作用。通過控制信號S1、S2、S3、S4即可實(shí)現(xiàn)電壓均衡，并可將電壓高的超級電容中的能量轉(zhuǎn)移到電壓低的超級電容中。
假設(shè)有N個超級電容串聯(lián)，將串聯(lián)超級電容組兩端總電壓通過升壓斬波電路接到逆變器的輸入端，以補(bǔ)償MOSFET及續(xù)流二極管上的導(dǎo)通壓降，逆變器的輸出接到匝數(shù)比為N的降壓變壓器的高壓側(cè)，則低壓側(cè)將產(chǎn)生振幅為N個超級電容單體電壓平均值的方波。以該方波作為電壓源再次對每個超級電容單體進(jìn)行充電。此時由于二極管的作用，只有單體電壓低于變壓器低壓側(cè)電壓值的超級電容才能進(jìn)行充電。逆變器工作一段時間以后，即可完成超級電容的均壓。
升壓斬波電路的輸出電壓，即逆變器的輸入電壓Vi滿足：
Vi=Vc+N*Vd+2Vs (1)
式中：Vc為N個串聯(lián)超級電容兩端總電壓；Vd為續(xù)流二極管上的正向?qū)▔航?；Vs為MOSFET上的導(dǎo)通壓降。
逆變部分采用5kHz的50％占空比的PWM波加入一定的死區(qū)時間來實(shí)現(xiàn)，S1，S4采用同一組信號驅(qū)動，S2，S3采用另外一組信號驅(qū)動。
升壓斬波電路的控制信號采用20kHz的PWM波。
Boost變換器占空比公式
2、 DC／DC主電路及控制方式
控制電路采用一端穩(wěn)壓一端穩(wěn)流的方式進(jìn)行充放電控制，當(dāng)電路工作在buck充電方式時，超級電容端進(jìn)行先恒流充電到Vsc，再恒壓充電；當(dāng)電路工作在boost放電方式時，直流母線電樂端進(jìn)行穩(wěn)壓控制。充放電環(huán)節(jié)采用PI控制法進(jìn)行恒流或恒壓充、放電。
采用雙向buck／boost電路拓?fù)?，控制策略是?br>
(1)、當(dāng)超級電容電壓Vc高于電容額定電壓Vcmax時，封鎖buck充電控制信號；當(dāng)超級電容電壓Vc下降到電壓下線Vcmax時，封鎖boost放電控制信號。
(2)、當(dāng)超級電容電壓Vc在電壓下限Vcmax與最高電壓Vcmax之間時，DC／DC變換器能夠進(jìn)行buck充電控制，或boost放電控制：進(jìn)行buck還是boost需要根據(jù)直流母線電壓Vdc、電流Idc來決定。
(3)、直流母線電壓Vdc高于設(shè)定高壓Vdcmax，進(jìn)行buck充電控制；低于設(shè)定低壓Vdcmin，進(jìn)行boost放電控制。母線電壓Vdc介于Vdcmax和Vdcmin之間是不動作，既不充電也不放電。
3 、控制系統(tǒng)軟件流程
按照上述控制策略，得到如圖4的程序流程圖，其中5kHz逆變?yōu)榫鶋弘娐分械哪孀兤?，采?0％的PWM脈沖波來實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的控制算法。20kHz升壓模塊完成開關(guān)管S1信號的產(chǎn)生。需要通過電壓采集電路，得到串聯(lián)電容的總電壓。4個判斷模塊通過判斷Vdc和Vc的電壓范圍決定對電容的充放電控制。
4 、仿真分析
C1、C2初始電壓為2．7V，C3、C4為1V，仿真70s的時候基本均壓結(jié)束，電壓均衡到1．81V，由于電容并聯(lián)二極管的影響，電壓均衡點(diǎn)并沒有在算數(shù)平均值1．85V，并且升壓斬波器也消耗一部分能量。70s之后兩電容電壓基本保持同步變化。
圖6為均壓系統(tǒng)實(shí)物圖，由FPGA控制板，H橋逆變器以及驅(qū)動電路和Boost升壓電路組成，F(xiàn)PGA控制板采用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的基于EP2C80 208C8N芯片的開發(fā)板來完成控制信號的中生成，5個開關(guān)管采用IRF640，驅(qū)動芯片TR2103。通過仿真驗(yàn)證了均壓系統(tǒng)的可行性。
5 、結(jié)束語
文中簡要介紹了應(yīng)用超級電容所需要的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并通過仿真和實(shí)物驗(yàn)證，逆變采用50％占空比是為了使電壓較高的降壓速度與低壓電容的升壓速度相匹配，減少電能浪費(fèi)。DC／DC充、放電模塊能實(shí)現(xiàn)對超級電容器組快速可靠充、放電，輸入功率大，保護(hù)可靠，充分發(fā)揮了超級電容的優(yōu)勢。
