超級電容器放電時,會按照一條斜率曲線放電,當(dāng)一個應(yīng)用明確了電容的容量與內(nèi)阻要求后,最重要的就是需要了解電阻及電容量對放電特性的影響。在脈沖應(yīng)用中,電阻是最重要的因素,在小電流應(yīng)用中,容量又是重要的因素。計算公式如下:
V=I(R + t/C)
其中V是起始工作電壓與截止工作電壓之差,I是放電電流,R是電容是直流內(nèi)阻,t是放電時間,C是電容容量在脈沖應(yīng)用中,由于瞬間電流很大,為減少電壓跌落,選用低內(nèi)阻(ESR)的超級電容(R值),在小電流應(yīng)用中,為降低電壓跌落,需要選用大容量的超級電容(C值)。
充電 Charge Methods
超級電容器具有多種充電形式,比如恒流、恒功率、恒壓等?;蛘吲c電源并列,比如電池、燃料電池、DC變換器等。如果一個電容與一個電池并聯(lián),那么在電容回路中串聯(lián)一個電阻將降低電容的充電電流,并提高電池的使用壽命。如果串聯(lián)了電阻,那么要保證電容的電壓輸出是直接與負(fù)載連接,而沒有經(jīng)過電阻,否則電容是低電阻特性將是無效。很多電池系統(tǒng)不允許瞬間大電流放電,否則會影響到電池的壽命。一只電容最大的推薦充電電流計算公式如下:
I=Vw/5R
其中I是推薦的最大充電電流,Vw是充電電壓,R是電容的直流內(nèi)阻。
電容持續(xù)采用大電流或者過壓充電。會引起電容發(fā)熱,過熱會導(dǎo)致電容內(nèi)阻增加、電解液分解產(chǎn)生氣體、縮短壽命、漏電流增加或者電容破裂。
自放電與漏電流
Self Discharge and Leakage Current
自放電與自漏電本質(zhì)上是一樣的,針對超級電容器的結(jié)構(gòu),相當(dāng)于在電容內(nèi)部是正極和負(fù)極之間有一條高阻電流通道,這就是意味著在電容充電的時候,同時會有一個額外的附加電流,當(dāng)在充電是時候,我們可以將此電流當(dāng)成漏電流;當(dāng)移去充電電壓后,同時電容沒有連接負(fù)載,這個電流使電容處于放電狀態(tài),此時我們將此電流看成自放電電流。
為了可靠地測量漏電流或者放電電流,電容必須被連續(xù)充電72小時以上,這同樣是由電容的結(jié)構(gòu)決定的。超級電容是模型可以當(dāng)成幾只不同的內(nèi)阻的超級電容的并聯(lián),當(dāng)充電時,低內(nèi)阻的超級電容充電速度快,電壓很快上升至與充電電壓相等,當(dāng)充電電壓移去后,如果高內(nèi)阻的超級電容還沒有被充滿,低內(nèi)阻的超級電容開始向并聯(lián)的高內(nèi)阻超級電容放電,這樣電容兩端的電壓下降就會比較快,給人的印象是電容具有比較大的自放電,必須注意的是:當(dāng)電容容量越大,電容被充滿所需的時間就會越長。
電容串聯(lián)
Series Configurations of Super capacitors
單體超級電容器的電壓一般為2.5V或者2.7V,在許多應(yīng)用中,需要比較高的電壓,這樣可以使用串聯(lián)的方法來提高電容的電壓,必須注意,在串聯(lián)應(yīng)用中,每一個單體的電容都不能超過其最大的耐壓,一旦長期過壓,將導(dǎo)致電容電解液分解、氣體產(chǎn)生、內(nèi)阻增加以及電容壽命縮短。
在放電或者充電時,電容容量的差異或者穩(wěn)定狀態(tài)下漏電流的差異,都將導(dǎo)致串聯(lián)電容分壓不平衡。在充電時,串聯(lián)的電容將進(jìn)行分壓,這樣高容量的電容將承受更大的電壓壓力。比如,如果兩個1F的電容進(jìn)行串聯(lián),一只是+20%容量偏差,另一只是-20%容量偏差,電容分壓如下:
Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)]
其中Vcap1是+20%容量偏差的電容如果充電電壓是5V
Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V
從上式可以看出,如果需要避免分壓大于電容的峰值電壓3V,那么電容容量誤差必須在同一個趨勢范圍內(nèi),比如同為+20%誤差或者同為-20%誤差。另外也可以用主動電壓平衡電路來彌補(bǔ)電容容量的不匹配造成的電壓不平衡。