如何選擇合適的超級(jí)電容器 超級(jí)電容器的工作原理

超級(jí)電容器已成為需要高密度備用電源，循環(huán)壽命長，充電和放電時(shí)間短的情況下的流行解決方案。

但是，即使對于最有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，為手頭的任務(wù)選擇正確的設(shè)備類型也會(huì)顯得相當(dāng)復(fù)雜。它需要了解廣泛的技術(shù)性能特征，以及在進(jìn)行過程中需要考慮的一些折衷。

在我們進(jìn)一步詳細(xì)討論如何為您的應(yīng)用選擇合適的超級(jí)電容器之前，有必要闡明此類設(shè)備的工作原理，以及它們比其他技術(shù)（如紐扣電池）具有的優(yōu)勢。這些信息可以為超級(jí)電容器特別適合的各種角色提供有價(jià)值的見解。

超級(jí)電容器基礎(chǔ)

首先，就其工作方式而言，許多超級(jí)電容器都使用所謂的雙電層電容器（EDLC）布局，該布局具有兩個(gè)電極，這些電極通常涂有碳基多孔材料，并被電解質(zhì)隔開，而電解質(zhì)本身又被盡管電池依賴于化學(xué)反應(yīng)，但超級(jí)電容器的不同之處在于，它通過物理吸附和解吸電極間電解質(zhì)中離子的過程非常迅速地存儲(chǔ)和釋放能量。

圖1：超級(jí)電容器的內(nèi)部工作原理

這些過程比電池充電中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)要快得多。使用具有低內(nèi)部電阻的超級(jí)電容器，該設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)充滿電，而由于高得多的電阻，用于二次電池應(yīng)用的鋰紐扣電池可能需要十分鐘到幾小時(shí)才能充滿電。而且，循環(huán)壽命沒有理論上的限制，而鋰離子二次電池具有約500次循環(huán)的有限壽命。

碳基材料的最新進(jìn)展意味著可以將多孔電極設(shè)計(jì)為具有較大的表面積，從而獲得較高的電容值和較小的外部尺寸。使用水性電解質(zhì)的超級(jí)電容器具有固有的導(dǎo)電性，對環(huán)境的影響小，并且具有不易燃的特性，并且具有出色的性能和強(qiáng)大的安全性。

通常來說，它們還比有機(jī)化合物具有更強(qiáng)的吸濕性，從而具有更長的使用壽命和更好的穩(wěn)定性（圖2）。這也意味著超級(jí)電容器基本上是免維護(hù)的，而鋰紐扣電池則需要更換，具體取決于特定的應(yīng)用。

圖2：高可靠性設(shè)計(jì)：水性和有機(jī)電解質(zhì)之間的電池構(gòu)造差異

就能量密度而言，超級(jí)電容器的額定功率通常為0.5至5 Wh / kg，而鋰紐扣電池的額定值為30至270 Wh / kg。但是超級(jí)電容器具有更高的功率密度，使其能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)提供大量能量。超級(jí)電容器在工作溫度范圍方面具有更大的靈活性–與更窄的參數(shù)相比，通常在-40至+85℃的溫度范圍內(nèi)工作對于鋰紐扣電池，溫度范圍為-20至+60℃。

這些性能特征意味著超級(jí)電容器正在發(fā)現(xiàn)越來越多的用例。這些包括后備電源職責(zé)，包括基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，智能電表或醫(yī)療設(shè)備，以及用于高級(jí)自動(dòng)化的汽車電子和工業(yè)計(jì)算機(jī)等各種設(shè)備。

典型的應(yīng)用包括在主系統(tǒng)電源切斷時(shí)（例如在停電期間或在卸下主系統(tǒng)電池以進(jìn)行更換時(shí)）接管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘或易失性存儲(chǔ)器。

如何選擇合適的超級(jí)電容器

因此，這些就是超級(jí)電容器的基本原理及其所扮演的某些角色。但是，如何為所需的應(yīng)用選擇合適的設(shè)備呢？

圖3代表了一個(gè)很好的起點(diǎn)，因?yàn)樗鼜妮^高的角度說明了一些需要考慮的初始考慮因素。例如，如果最終應(yīng)用表明需要更長的備用時(shí)間，那么KEMET的FG，F(xiàn)Y，F(xiàn)C，F(xiàn)M和FR系列的高阻抗解決方案將是最好的起點(diǎn)。

較短的備份時(shí)間要求低阻抗，這意味著將有一套不同的解決方案，主要是來自FA，F(xiàn)E，F(xiàn)S，F(xiàn)T和FM系列產(chǎn)品。另外，如果關(guān)鍵應(yīng)用要求是高功率，那么非常特定的范圍（例如HV系列）將提供答案。但是，從一開始，這些都是重要的考慮因素，在應(yīng)用其他思考方式之前。

圖3：選擇性能

除了備用時(shí)間外，在選擇超級(jí)電容器之前需要定義的更全面的參數(shù)列表還可能包括所需的最小和最大工作電壓；工作溫度 所需尺寸；和安裝類型（表面或通孔）。然后，通過掌握這些細(xì)節(jié)，可以應(yīng)用一個(gè)相對簡單的公式來粗略計(jì)算當(dāng)前任務(wù)所需的電容。

作為計(jì)算過程的一個(gè)示例，在下面的項(xiàng)目示例中，客戶需要一個(gè)超級(jí)電容器，該超級(jí)電容器在以下條件下能夠承受150小時(shí)的備用時(shí)間：

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