中心論題：

• 超級電容器的結(jié)構(gòu)
• 超級電容器的特點和優(yōu)勢
• 超級電容器的廣泛應(yīng)用

解決方案：

• 具有雙層結(jié)構(gòu)
• 具有充放電速度快、低阻抗等特點
• 具有廣泛的用途 

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來越關(guān)注，超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無可替代的優(yōu)越性，越來越受到人們的重視。在一些需要高功率、高效率解決方案的設(shè)計中，工程師已開始采用超級電容器來取代傳統(tǒng)的電池。

電池技術(shù)的缺陷
Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個可靠的能量儲存方案，并且已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用。眾所周知，化學(xué)電池是通過電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生法拉第電荷轉(zhuǎn)移來儲存電荷的，使用壽命較短，并且受溫度影響較大，這也同樣是采用鉛酸電池（蓄電池）的設(shè)計者所面臨的困難。同時，大電流會直接影響這些電池的壽命，因此，對于要求長壽命、高可靠性的某些應(yīng)用，這些基于化學(xué)反應(yīng)的電池就顯出種種不足。

超級電容器的特點和優(yōu)勢
超級電容器的原理并非新技術(shù)，常見的超級電容器大多是雙電層結(jié)構(gòu)，同電解電容器相比，這種超級電容器能量密度和功率密度都非常高。同傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級電容器儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、效率高、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、安全性高等特點。
 

除了可以快速充電和放電，超級電容器的另一個主要特點是低阻抗。所以，當(dāng)一個超級電容器被全部放電時，它將表現(xiàn)出小電阻特性，如果沒有限制，它會拽取可能的源電流。因此，必須采用恒流或恒壓充電器。

１０年前，超級電容器每年只能賣出去很少的數(shù)量，而且價格很貴，大約１～２美元／法拉，現(xiàn)在，超級電容器已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品大批量供應(yīng)市場，價格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。在最近幾年中，超級電容器已經(jīng)開始進入很多應(yīng)用領(lǐng)域，如消費電子、工業(yè)和交通運輸業(yè)等領(lǐng)域。

圖1 超級電容器循環(huán)壽命長，具有很高的功率密度、安全性和效率

超級電容器的結(jié)構(gòu)
雖然，目前全球已有許多家超級電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類的超級電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu)，超級電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料，如圖2所示。

圖2 在結(jié)構(gòu)上，超級電容器和電池或電解電容器的主要區(qū)別是電極材料
 

早期的超級電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般容值范圍為1～5000F。

使用超級電容器
超級電容器具有廣泛的用途。與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相結(jié)合，超級電容器能提供快速的能量釋放，滿足高功率需求，從而使燃料電池可以僅作為能量源使用。目前，超級電容器的能量密度可高達20kW/kg，已經(jīng)開始搶占傳統(tǒng)電容器和電池之間的這部分市場。

在那些要求高可靠性而對能量要求不高的應(yīng)用中，可以用超級電容器來取代電池，也可以將超級電容器和電池結(jié)合起來應(yīng)用在對能量要求很高的場合，從而可以采用體積更小、更經(jīng)濟的電池。

超級電容器的ESR值很低，從而可以輸出大電流，也可以快速吸收大電流。同化學(xué)充電原理相比，超級電容器的工作原理使這種產(chǎn)品的性能更穩(wěn)定，因此，超級電容器的使用壽命更長。對于像電動工具和玩具這種需要快速充電的設(shè)備來說，超級電容器無疑是一個很理想的電源。
　　
一些產(chǎn)品適合采用電池／超級電容器的混合系統(tǒng)，超級電容器的使用可以避免為了獲得更多的能量而使用大體積的電池。如消費電子產(chǎn)品中的數(shù)碼相機就是一個例子，超級電容器的使用使數(shù)碼相機可以采用便宜的堿性電池（而不是使用昂貴的Li離子電池）。
　　
超級電容器單元（cell）的額定電壓范圍為２.5～2.7V,因此，很多應(yīng)用需要使用多個超級電容器單元。當(dāng)串聯(lián)這些單元時，設(shè)計工程師需要考慮單元之間的平衡和充電情況。
　　
任何超級電容器都會在通電的情況下，通過內(nèi)部并聯(lián)電阻放電，這個放電電流就稱為漏電流，它會影響超級電容器單元的自放電。同某些二級電池技術(shù)相似，超級電容器的電壓在串聯(lián)使用時需要平衡，因為存在漏電流，內(nèi)部并聯(lián)電阻的大小將決定串聯(lián)的超級電容器單元上的電壓分配。當(dāng)超級電容器上的電壓穩(wěn)定后，各個單元上的電壓將隨著漏電流的不同而發(fā)生變化，而不是隨著容值不同而變化。漏電流越大，額定電壓越小，反之，漏電流小，額定電壓高。這是因為，漏電流會造成超級電容器單元放電，使電壓降低，而這個電壓會隨后影響和它串聯(lián)在一起的其他單元的電壓（這里假定這些串連的單元都使用同一個恒定電壓供電）。
　　
為了補償漏電流的變化，常采用的方法是，在每一個單元旁邊并聯(lián)一個電阻，來控制整個單元的漏電流。這種方法有效地降低了各單元之間相應(yīng)并聯(lián)電阻的變化。

另一個推薦使用的方法是主動單元平衡法（active cell-balancing），采用這種方法，每一個單元都會被主動監(jiān)視，當(dāng)有電壓變化時，即進行互相平衡。這種方法可以降低單元上的任何額外負載，使工作效率更高。
　　
如果電壓超過單元的額定電壓，將會縮短單元的使用壽命。對于高可靠性超級電容器來說，如何維持電壓在要求的范圍內(nèi)是關(guān)鍵的一點，必須控制充電電壓，以保證它不能超過每個單元的額定電壓。