超级电容以前主要用于大功率电源和大型工业与消费类电源设备,如今在各种尺寸的产品、特别是便携式设备中也找到了用武之地。超级电容以高达数千法拉的电容值和快速充放电速率而闻名于世。
 
由于能够长时间存储大量的电能,超级电容表现得更像是电池而不是一个标准电容。事实上,随着技术的进步,它们将替代众多产品中的可充电电池,从计算机、数码相机、手机到其它手持设备。
 
超级电容是什么?
简单地说,超级电容是一种非常大的极化电解质电容。这里的‘大’指的是容量,而不是它们的物理尺寸。
 
的确,对于普通的电解电容来说,电容值和 / 或电压值越大,整个封装也越大。电解电容通常提供微法拉数量级的电容值,从约 0.1uF 到约 1F,其电压标称值最高可达 1kVdc。一般来说,额定电压越高,电容值就越小,而电容值越大,封装也就越大,而且工作电压也可能会降低。
 
这些规则基本上也适用于超级电容。超级电容的容值在 1F 以上,工作电压范围从 1.5V 到 160V 甚至更高。随着电容值和电压增加,其体积也会增加。
 
电容值在数十法拉左右的早期超级电容是个大块头,主要用于大型电源设备。具有低电压工作能力的小体积超级电容则常用作消费电子设备中的短期备用电源。
 
尽管超级电容和电解电容存在很大的相似性,但在电气性能和物理尺寸方面也有很大的差异。例如,一个普通的 10uF、25Vdc 额定电压电解电容尺寸可能略小于甚至等同于 1F 到 10F、2.7Vdc 的超级电容。随着最近技术的进步,将超级电容的工作电压提高到 25Vdc 时,尺寸增加不到一倍,根据具体应用场合,这样的体积变化可能并不十分显著。
 
剖析超级电容
原则上讲,人们可以将超级电容看作是一个可充电电池。它能存储与其容量成正比的电荷,并在要求放电时释放电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构,它能实现更高的容量。
 
 
标准电容的结构是在两个附属于金属板上的电极之间夹一层电介质层(图 1)。根据电容类型不同,电介质可以是氧化铝、四氧化钽、氧化钛钡或聚丙烯聚酯,不同的材料决定了不同的容量和电压特性(图 2)。电介质的多少和极板间的距离也会影响电容量。然而,极板间最大允许距离限制了电介质的数量。
 
 
在这种单层结构中,增加电介质数量来提高容量通常是可行的,方法有三种,即增加封装宽度和极板尺寸、增加封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方法都将导致电容器的体积变大,这是增加电容容量必须做出的一种牺牲。
 
双电层电容器(EDLC)正如它的字面意义那样可以解决上述问题,它在相同的封装内增加了第二个电介层,这个电介层与第一层在中间隔离物的两边并行工作(图 3)。EDLC 也采用无孔电介质,如活性碳、碳纳米管、炭黑凝胶,并选用导电聚合物,其存储容量要比标准的电解材料高出许多。额外层和更高效电介材料的这种组合能使电容容量提高近 4 个数量级。
 
 
不过,电压能力是超级电容的薄弱环节,根源在于电介质材料。EDLC 中的电介质特别薄,只有纳米数量级,因此能产生很大的表面积,从而形成更大的容量。但这些很薄的层不具有传统电介质理想的绝缘特性,因此要求较低的工作电压。
 
超级电容应用
与标准电容和电池相比,EDLC 的多个优点使得它们能成为理想的替代品。这些优点包括:与可重复充电电池相比充放电次数更多,实际效率高达 98%,更低的内部电阻,大输出功率,更好的热性能,与电池和标准电容相比有更好的安全余量。
 
与所有类型的电池不同,EDLC 没有特殊的处理要求,因此在整个生命周期内都具有环境友好特性。以前又大又笨重的超级电容现在已经有了各种尺寸的产品,可以适合任何应用以及几乎任何预算。
 

 

针对便携式设备的超级电容
如前所述,大电容值的超级电容在物理尺寸方面不再是一个障碍。5F 以上的超级电容已经开始应用于许多便携式和手持式产品。在一些案例中,这些元件甚至可以代替给这些产品供电的电池。
 
Tecate Group 推出了具有多样配置的多种 PowerBurst 品牌超级电容器。针对通用的脉冲电源、混合电池和便携式产品应用,径向引线的 TPL 和径向折弯的 TPLS 系列双层电容器分别具有 0.5F 到 70F 和 100F 到 400F 的容量(图 4)。这两类器件的电压额定值都是 2.7V,工作温度范围是 -40℃到 65℃。TPL 和 TPLS 系列的最大高度分别是 45mm(100F)和 60mm(400F)。
 
 
CAP-XX 公司专门针对便携式市场推出了 GS/GW 系列单节和双节超级电容器(图 5)。这些电容提供了电能有限的电池的替代品,寿命非常长,单节配置电压为 2.3V,串联连接的双节电容器电压可达 4.5V。
 
 
这两种电容的工作温度范围都是 -40℃到 75℃。GW 系列产品的外形尺寸为 28.5x17mm,电压 4.5V 时的电容量最高为 0.4F,等效串联电阻(ESR)低于 60 mΩ。GS 系列产品的外形尺寸为 39x17mm,电压 4.5V 的电容量可达 0.7F,ESR 低至 34 mΩ。
 
同样针对紧凑空间设计但可耐更高温度的 CAP-XX 公司 HS 和 HW 系列电容器具有很薄的外壳,工作温度范围是 -40℃到 85℃(图 6)。在 4.5 到 5.5V 电压范围内,HW 的尺寸为 28.5x17mm。在 5.5V 电压时的电容量可达 0.4F,ESR 在 5.5V 时可低至 100 mΩ。
 
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这些元件的厚度范围从 0.9mm 到 2.9mm 不等。电容量可达 0.7F 的 HS 系列外形尺寸为 39mmx17mm,厚度范围同样为 0.9mm 到 2.9mm,最小 ESR 为 55 mΩ。这两个系列的超级电容可以处理高达 20A 的脉冲电流,额定的 RMS 电流为 4A。
 
Kanthal Globar 公司的 Maxcap 双层电容器可以用来代替作为存储器后备电源的电池,具有超过 5.5 F/in.3 的容积效率、无限的服务寿命、快速充放电能力和非常低的漏电流等特性(图 7)。Kanthal Globar 公司还表示,这些电容比电池更安全,在短路时不会爆炸,也不会损坏。这些电容器是非极化器件,不需要限流电阻或过压保护,因而可以消除装配错误和相关的成本。
 
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Maxcap 电容有径向引线(LP、LC、LK、LT、LF、LV、LX 和 LJ 系列)和表面贴装(LM 系列)两大类。额定电压为 3.5V 或 5.5V,电容值范围从 0.01F 到 5F 和 0.47F 到 1F 与 5.6F,具体取决于额定电压值。电路板上还有一种 5F/11V 的封装。工作温度范围有两种,一种是从 -40℃到 85℃,一种是 -25℃到 70℃。另外,所有的 Maxcap 都是小尺寸元件,可在远端部署,并且不要求接入端口。
 

 

针对大型设备的超级电容
虽然看起来似乎所有电子设计都在缩小尺寸,设计师在拚命地争夺每纳米空间,但仍有许多领域微型化既不可能也没必要,包括汽车和运输、再生能源、军用和航空。在这些领域,通常采用更大尺寸的超级电容。
 
Maxwell Technologies 公司推出的突破性 BOOSTCAP 产品设定了事实上的标准,基于其私有电极技术的产品可提供单节和多节模块化配置。
 
模块化 BOOSTCAP 配置由涵盖 14 个模块的 BPAK 和 BMOD 系列组成(图 8)。根据具体的应用,用户可以从下列电容值 / 工作电压组合中选取合适的产品:15Vdc 下有 20、23、52 和 58F;16.2Vdc 下有 110、250 或 500F;48.6Vdc 下有 165F;75Vdc 下有 94F;125Vdc 下有 63F。这些模块的外形尺寸也不等,从约 178x52x32mm 到超过 515x263x211mm。目标应用包括工业、汽车和消费类市场。
 
 
Maxwell Technologies 公司还有许多大型的具有很高容量的 BOOSTCAP 品牌单节电容器,不过工作电压比较低。BCAP 系列共 5 节,在 2.7Vdc 的工作电压下电容值可达 650、1200、11500、2000 和 3000F(图 9)。这些电容的主要用途是与电池并行工作,适合要求恒定低功率放电以及峰值负载下提供脉冲功率的应用。
 
 
Evans Capacitor 公司的 3STHQ3 和 3PTHQ3 电容组器件则主要用于任务繁重的军事应用,它将公司的三个 THQ3 混合电容集成进了一个阳极电镀、环氧密封的铝壳中,整个尺寸为 4.47×1.59×1.09 英寸(图 10)。针对更高的工作电压,3STHQ3 组可以串联电容的方式提供以下四种产品:0.004 F/160 Vdc, 0.0028F/200Vdc, 0.0019F/250Vdc 和 0.0011F/300Vdc。
 
 
针对更大的容量,3PTHQ3 组器件可以并联电容的方式提供 0.45F/10Vdc 到 0.01F/125Vdc 范围内的产品。这两种配置的工作温度范围都是从 -55℃到 85℃,包括所有必要的平衡电阻和走线。
 
针对大电流环境,德国制造商 Wima 提供了全系列的双层圆柱形器件,其工作电流额定值高达 400A,脉冲电流承受能力可达 1400A。Wima 公司的 SuperCap C 系列和 R 系列产品由电容值在 110 到 600F 范围内的 2.7Vdc 电容组成,它们的工作电流和脉冲电流额定值分别可达 100A 和 800A。
 
最大和最强健的 SuperCap MC 系列则规定了 14Vdc 的工作电压和 400A 的电流。该产品的重量为 1.7 公斤,长宽高尺寸为 325x60x90mm,正负电极之间的距离是 265mm,可承受高达 1.4kA 的脉冲电流。
 
其它参数包括 110F±20%的电容量,内部电阻为 7mΩ,最大储存能量为 10kJ,工作温度范围是 -30℃到 65℃,工作寿命长达 9 万小时。
 
超级电容的未来
如前所述,超级电容有望代替众多设备中的可充电电池。这种演进是合理的,特别是目前人们对绿色技术和高性价比替代能源非常渴求。
 
最近超级电容制造商 CAP-XX 和 Perpetuum 正在就能量收储解决方案展开合作,目的是要成功创建无电池的无线传感器状态监视系统。在去年 6 月份举行的 nanoPower 论坛上演讲的一个案例研究就介绍了 Perpetuum 的 PGG17 振动能量收储微型发电机如何与 CAP-XX 的超级电容器配合实现无电池状态监视系统的。这些系统采集并在机器上显示数据,目的是改善资产管理质量。
 
据这两家公司介绍,传统的状态监视系统需要人工的数据采集,或使用电池供电的无线传感器。据他们宣称,在与这些系统相关的恶劣环境中,电池可能只能用 2 到 5 年。显而易见,在一个可能有数千个电池供电的无线传感器节点的工厂中,更换和处理电池的成本将非常高。
 
在平时工作过程中,PMG17 将无用的机械振动转换成电能,可以提供 0.5mW 到 50mW 的稳定电源。CAP-XX 超级电容器储存这些能量,然后提供在无线网络(如 IEEE802.15.4 和 802.11)上传送传感器状态数据所需的峰值功率。
 
PMG17 可以为间歇性无线传感器系统(如无线 HART、SP-100 和 Wi-Fi)提供必要的电能。然而,它的输出阻抗太高,无法提供传感器节点要求的 10 到 100 秒时间长的 mW 级功率。高容量和低 ESR 的超级电容器可以解决这个问题,它可以提供约 1 秒的峰值功率来传送数据。
 
“微型发电机和超级电容组合消除了电池的可靠性问题和耗时的维护工作,可以极大地节省操作成本和能量使用。”Perpetuum 公司的技术管理人员 Stephen Roberts 表示。
 
“无线系统制造商现在可以使用这种“安装完就可遗忘的”自发电能源轻松地设计出无电池的系统。”CAP-XX 公司应用技术副总裁 Pierre Mars 指出。