揭开超级电容之谜
超级电容器在现代电子系统中占有一席之地，特别是当您需要频繁进行充电循环或承载非常大的电流负载时。
电容器被用在所有设计中，因为在大多数设计中去耦是必需的，用于过滤任何噪声或创建一个振荡器。对于这些电容器，较大的数值以微法 (microfarad) 表示，而较小的数值则以皮法 (picoFarad) 表示。超级电容器的单位范围在法拉 (Farad) 之间。由于其高容量，它在需要几小时的备用电源时可以与电池竞争。此外，它还可以与电池配合使用，在短时间内提供高等级的电力。凭借高电流能力，它还可用于能量采集应用，例如混合动力汽车中的制动和能量回收系统。 为了实现高电容量，超级电容器不能使用标准电容器所采用的技术。 超级电容器有多种技术可以使用，但最广泛采用的一种被称为双电层电容器。其内部有机电解质易于制造，并且比锂离子电池更安全。 超级电容器的结构类似于两个串联的电容器。两个电极 (3) 夹在集电器 (2) 之间，由一层离子可渗透膜 (6) 隔开，并通过电解液 (5) 连接电极。当电极通过施加的电压 (1) 极化时，电解液中的离子形成一个电双层 (4)，其极性与电极的极性相反。这种机制解释了双电层电容器的名称来源。
两个电荷层之间的距离可能非常小，这意味着可以实现非常高的电容值。 根据不同的电荷存储机制，双电层电容器分为两种类型：
- 电双层电容器：EDLC（电双层电容器）通过电极/电解质界面的双层储存能量。在这种类型的电容器中，用于制造电池的电极材料主要是碳材料。
- 电化学双电层电容器或假电容器：超级电容器在适当的电位窗口内在电极和电解质之间维持法拉第反应。这种类型的超级电容器的电极材料由过渡金属氧化物或碳与金属氧化物/聚合物的混合物组成。
超级电容器具有不同于标准电容器的特性，并且有几点值得注意：
- 最大电压：最大电压低于标准电容器，通常在2.5V范围内。虽然可以有更高电压的超级电容器，但其使用寿命可能会缩短。
- 使用寿命受到液体电解质蒸发速率的限制。蒸发速率取决于温度、电流负载、电流周期频率和电压。如下面所示，根据使用方式不同，使用寿命可以从一年到超过十年不等。
- 为了实现更高的超级电容器工作电压，您可以将它们串联起来，这也称为堆叠。
- 自放电：储存的能量可能在一个月内减少 50%。这意味着即使超级电容没有进行任何备份，也必须定期充电。
超级电容的尺寸选择及独特优势
现在我们已经了解了超级电容器是什么以及它的构造，让我们来探讨将其用作标准电池应用替代品的可能性。我们如何调整它们的尺寸以比较它们的运行时间以及它们的一些独特特性？它们又具备哪些独特的优势呢？ 在探讨超级电容器的能量容量时，有一点需要牢记，那就是最大能量容量与有效能量容量间存在很大的差异。有效能量与最大能量的差异取决于系统所能利用的最低电压以及超级电容器的设计决定的最低电压。超级电容器不像电池那样耗尽，它在容量耗尽时电压输出相对稳定。而在锂离子电池中，在电池容量的很大范围内，你可以期望电压接近 3.7 伏，但在超级电容器中，随着能量的消耗，你会看到电压迅速下降。有时，当电流输出保持恒定时，这种电压下降可能呈现出几乎线性的趋势。 考虑到电压下降，最大能量容量可通过公式 Wmax = ½ * Ctotal * V2loaded * 1/3600 计算，其中 W 为储存的瓦数，C 为超级电容器的总电容，V 为超级电容器完全充电时的电压。然而，用这种方法衡量容量可能会产生误导，因为正如上面提到的，超级电容器的有效能量必须考虑到系统的最低电压。为了测量有效能量容量，我们使用公式 Weff = ½ * Ctotal * (V2max - V2min) * 1/3600。
这里有一个小例子，使用一个极其巨大的超级电容器。我选择了3000法拉的Eaton Powerstor XL60来演示当我提高系统的最低电压时会发生什么，以及我们会损失多少有效容量。是的，单个超级电容器确实是3000法拉，这不是笔误。
如果使用此超级电容的系统设计只能支持最低输入电压为1.6V，那么它就损失了超级电容中存储的三分之一的潜在能量。在设计具有更宽输入电压升压电路的电源输入阶段时，可以考虑这一影响，但您需要提前认识到这些限制。另外，当您降低超级电容的输出电压时，需要增加输出电流以维持恒定的功率输出，这会对电路元件造成更大的压力。
能量容量可能有些令人失望，但超级电容在功率密度方面确实表现出色，这意味着它们能够应对非常大的浪涌电流。处理峰值电流负载的能力是超级电容中电容部分的一个特点。这种能力是超级电容在电池供电的无绳工具中找到用武之地的原因之一，它为高电流浪涌提供了一个缓冲区域，从而帮助拧入最后一颗螺丝，或者确保刀片有足够的扭矩以实现强劲且干净的切割。 从上面的例子中，我们可以看一下相同的Eaton XL60。一旦深入查看数据手册，你会发现它能够承受140A的连续输出，但真正令人瞩目的是其2400A的峰值电流评级。电流处理能力正是将超级电容与锂离子电池区分开来的关键。即使是较小的超级电容，例如来自Nichicon的JUMT1106MHD（其电容为10F），也能承受高达5A的峰值电流，并且还具有更宽温度范围的汽车等级认证。
超级电容器（supercap）相较于电池的另一个优势在于容量衰减。当锂离子电池经过充放电循环时，它们会受到磨损，容量会随着时间的推移而下降，从而缩短其使用寿命——许多锂电池的循环寿命一般在300至500次之间。而超级电容器则不会受到相同程度的循环影响，以此前的伊顿（Eaton）XL60为例，在经过1,000,000次循环后，其电容衰减不足20%。除了极佳的循环性能外，超级电容器通常还具有更宽的实用温度范围。 超级电容器在现代电子系统中占据了重要地位，尤其当它们需要频繁地进行充放电循环或需要承载非常大的电流负载时。在常规电池系统中，您完全可以考虑将其作为一种补充方案，甚至在某些情况下可以直接作为替代品。
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