超级电容选用计算

二 超级电容的主要特点 优缺点二 超级电容的主要特点 优缺点 尽管超级电容器能量密度是蓄电池的 5 或是更少 但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电 池不足之处与短时高峰值电流之中 相比电池来说 这种超级电容器有以下几点优势 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 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 2 充放电寿命很长 可达 500000 次 或 90000 小时 而蓄电池的充放电寿命很难超过 1000 次 可以 提供很高的放电电流 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如 此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短 3 可以数十秒到数分钟内快速充电 而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可 能 4 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 超级电容器用的材料是安全和无毒的 而铅酸蓄电池 镍镉蓄电池均具有毒性 而且 超级电容器可以任意 并联使用来增加电容量 如采取均压措施后 还可以串联使用 因此 可以用简短的词语总结出超级电容的优点 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 因而不存在象电池接触不牢固等问题 缺点 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象 和铝电解电容器相比 它内阻较大 因而不可以用于交流电路 三 如何选择超级电容器三 如何选择超级电容器 很多用户都遇到相同的问题 就是怎样计算一定容量的超级电容在以一定电流放电时的放电时间 或者根据放电电流及放电时间 怎么选择超级电容的容量 下面我们给出简单的计算公司 用户根据这个 公式 就可以简单地进行电容容量 放电电流 放电时间的推算 十分地方便 超级电容器的两个主要应用 高功率脉冲应用和瞬时功率保持 高功率脉冲应用的特征 瞬时流向 负载大电流 瞬时功率保持应用的特征 要求持续向负载提供功率 持续时间一般为几秒或几分钟 瞬时 功率保持的一个典型应用 断电时磁盘驱动头的复位 不同的应用对超电容的参数要求也是不同的 高功 率脉冲应用是利用超电容较小的内阻 R 而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量 C 下面提供了两种计算公式和应用实例 C F 超电容的标称容量 R Ohms 超电容的标称内阻 ESR Ohms 1KZ 下等效串联电阻 Uwork V 在电路中的正常工作电压 Umin V 要求器件工作的最小电压 t s 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续 时间 I A 负载电流 Udrop V 在放电或大电流脉冲结束时 总的电压降 瞬时功率保持应用 超电容容量的近似计算公式 该公式根据 保持所需能量 超电容减少能量 保持期间所需能量 1 2I Uwork Umin t 超电容减少能量 1 2C Uwork2 Umin2 因而 可得其容量 忽略由 IR 引起的压降 C Uwork Umin t Uwork2 Umin2 如单片机应用系统中 应用超级电容作为后备电源 在掉电后需要用超级电容维持 100mA 的电流 持续时间为 10s 单片机系统截止工作电压为 4 2V 那么需要多大容量的超级电容能够保证系统正常工作 由以上公式可知 工作起始电压 Vwork 5V 工作截止电压 Vmin 4 2V 工作时间 t 10s 工作电源 I 0 1A 所需 电容容量为 C Vwork Vmin It Vwork2 Vmin2 5 4 2 0 1 10 52 4 22 1 25F 根据计算结果 可以选择 5 5V 1 5F 电容就可以满足需要了 超级电容容量选择实例 假设磁带驱动的工作电压 5V 安全工作电压 3V 如果直流马达要求 0 5A 保持 2 秒 可以安全工 作 那么 根据上公式可得其容量至少为 0 5 F 因为 5V 的电压超过了单体电容器的标称工作电压 因 而 可以将两电容器串联 如两相同的电容器串联的话 那每只的电压即是其标称电压 2 5V 如果我们 选择标称容量是 1F 的电容器 两串为 0 5F 考虑到电容器 20 的容量偏差 这种选择不能提供足够 的裕量 可以选择标称容量是 1 5F 的电容器 能提供 1 5F 2 0 75F 考虑 20 的容量偏差 最 小值 1 2F 2 0 6F 这种超级电容器提供了充足的安全裕量 大电流脉冲后 磁带驱动转入小电流工作模 式 用超电容剩余的能量 在该实例中 均压电路可以确保每只单体不超其额定电压 脉冲功率应用脉冲功率应用 脉冲功率应用的特征 和瞬时大电流相对的较小的持续电流和瞬时大电流相对的较小的持续电流 脉冲功率应用的持续时间 从 1ms 到几秒 设计分析假定脉冲期间超级电容是唯一的能量提供者 在该实例中总的压降由两部分组 成 由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降 关系 Udrop I R t C 它表明电容器 必须有较低的 R 和较高的 C 压降 Udrop 才小 对于多数脉冲功率应用 R 的值比 C 更重要 以 2 5V1 5F 为例 它的内阻 可以用直流 ESR 估计 标称是 0 075Ohms DC ESR AC ESR 1 5 0 060Ohms 1 5 0 090Ohms 额定容 量是 1 5F 对于一个 0 001s 的脉冲 t C 小于 0 001Ohms 即便是 0 010 的脉冲 t C 也小于 0 0067Ohms 显然 R 0 090Ohms 决定了上式的 Udrop 输出 实例 GSM GPRS 无线调制解调器需要一每间隔 4 6ms 达 2A 的电流 该电流持续 0 6 ms 这种调制解 调器现用在笔记本电脑的 PCMCIA 卡 上 笔记本的和 PCMCIA 连接的限制输出电压 3 3V 0 3V 笔记本提供 1A 的电流 许多功 率放大 器 PA 要求 3 0V 的最小电压 对于笔记本电脑输出 3 0V 的电压是可能的 到功率放大器的电压必须 先升到 3 6V 在 3 6V 的工作电压下 最小 3 0V 允许的压降是 0 6V 选择超级电容器 C 0 15F AC ESR 0 200Ohms DC ESR 0 250Ohms 对于 2A 脉冲 电池 提供大约 1A 超电容提供剩余的 1A 根据上面的公式 由内阻引起的压降 1A 0 25Ohms 0 25V I t C 0 04V 它和由内阻引起的压降相比是小的 总结 不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算 当电路的工作电压超过超级电容的工作电 压时 可以用相同的电容器串联 一般地 串联应该保持平衡以确保电压平均分配 在脉冲功率应用中由 超电容内阻引起的压