超級電容器是一種電化學裝置，可與電流驅動的移動系統中的主發電機很好地集成。它們的特點是可以在短時間內（秒）提供高電力，而主發電機（電池、燃料電池）更適合長時間和恒定負載供電。超級電容器有利地耦合到電池和燃料電池系統、電動車輛、收發器、攝像機、UPS中，在這些系統中，在操作期間發生對電力的可變需求。

技術

超級電容器，也稱為超級電容器或電化學電容器，使用高表面積電極材料和薄電解電介質來達到比傳統電容器高幾個數量級的容量（它們減少了電極之間的距離 D）。通過這種方式，超級電容器可以達到更高的能量密度，同時保持傳統電容器高功率密度的特性（圖 1）。

圖 1：傳統電容器圖

A supercapacitor is a double layer capacitor with very high capacity but low voltage limits. Supercapacitors store more energy than electrolytic capacitors and are classified in farad (F). They consist of two metal plates coated only with a porous material known as activated carbon. As a result, they have a larger area for storing more charge. They have a low leakage current and are suitable in many applications that can operate in the 1.8 V – 2.5 V range. The plates are immersed in an electrolyte consisting of positive and negative ions dissolved in a solvent. When a voltage is applied, two separate charge layers are produced on the surface with a reduced separation distance compared to the classic capacitors.

Therefore, supercapacitors are often referred to as double-layer electric capacitors or EDLCs. The life of a supercapacitor lasts from 10 to 20 years, and the capacity could be reduced from 100% to 80% after about 8-10 years. Thanks to their low equivalent series resistance (ESR), supercapacitors provide high load currents to obtain an almost immediate charge in a few seconds. Micro-supercapacitors are MEMS-like devices of micrometric dimensions, suitable for flexible applications where bending micro-supercapacitors several times does not affect performance. This is ideal for wearables and IoT applications.

Double-layer concept

由于電容器的電容與電極的表面成正比，因此優先使用電化學惰性材料。這是由于較大的比表面積和適當的腔體幾何形狀以形成具有最大數量電解離子的雙層基板。在開發階段遇到的最大困難在于找到合適的同時又經濟的材料。在具有這些特性的材料中，最有趣的是碳和一些金屬氧化物。

碳更廣泛地用作活性炭，在較小程度上以纖維和凝膠的形式使用，目前進一步的研究集中在納米管和石墨烯的使用上。為了最大限度地提高容量，有必要開發具有這種形態的碳結構，以便為電解離子提供良好的可及性。從實用的角度來看，考慮到器件的尺寸，優化碳電極的最關鍵參數是其容量密度。

目前最好的碳電極每單位質量的表面積值達到 3000 m2 / g 的數量級，允許容量值等于 250 F / g；它們通常由碳粉制成，沉積在金屬歧管上。粉末被壓制（燒結）或與纖維或金屬粉末混合，以提高導電性。

電極的性能不僅取決于材料的性質，還取決于一些幾何因素。必須盡量減少離子和電子路徑以實現高功率，因此盡可能減少電極的厚度以縮短到其表面的離子路徑，同時減小電極寬度以縮短電子路徑。這些措施的結果是，在給定的體積內，并聯的層數較多，電流路徑的截面增加而距離減小，從而導致更低的 ESR 和更高的功率。另一方面，這種幾何考慮也會導致能量密度的降低，因此必然是功率和能量需求之間折衷的結果（圖2）。

圖 2：與超級電容器 (EDLC) 相比的電容和電壓。

電路模型

在設計基于超級電容器的儲能系統時，需要等效電路模型來適當地執行以下任務：

? 計算所需超級電容器的數量。考慮超級電容器的特性來確定所需超級電容器的數量并結合存儲系統的能量和功率需求是合適的。在這些條件下，等效電路模型將有助于工程師的工作，簡化使用商業軟件執行的計算和模擬。

? 設計適當的硬件和軟件來管理電源轉換器中的電壓電平。超級電容器的特點之一是，可以在很寬的電壓范圍內運行，因此通常需要使用 DC/DC 轉換器來滿足下游應用需求。超級電容器在由轉換器充電時表現得像負載，而在放電期間充當電源。設計人員使用等效電路模型來非常近似地確定超級電容器在此類條件下的動態行為。

? 設計能源管理方案。這對于電力存儲系統至關重要，因為精心設計的方案允許使用最少數量的超級電容器符合能源和功率規范，并顯著提高系統的可靠性。只有在可以預測特定條件下超級電容器的行為時，能量管理方案才能執行其任務。

? 在超級電容器組中設計電壓平衡電路。

通常，存儲系統采用一定數量的串聯超級電容器，并且由于各個電池之間的電容和漏電流差異，其中一些可能存在過壓風險。要避免的風險。為此，使用電壓平衡系統，其設計必須考慮超級電容器充電和放電階段的動態響應，因此其電路模型將提供必要的信息（圖 3 和圖 4）。

圖 3：超級電容器的等效電路

超級電容器最簡單的電路模型，如圖 4 所示，由包含電阻器 (R) 的單個支路組成，電阻器 (R) 表示元件與電容 (C) 串聯的歐姆損耗，模擬超級電容器在充電和放電循環。

圖 4：物聯網超級電容器的典型應用

改進后的模型可分為三類：并聯支路RC模型、傳輸線RC模型和串并聯RC模型。

解決方案和電源管理 IC

CAP-XX 已開發出單缸 (2.7 V) 和雙電池 (5.4 V) 圓柱形超級電容器，可為物聯網 (IoT) 設備提供高峰值功率和低 ESR，成本具有競爭力。Maxwell 超級電容器非常適合從混合動力汽車、消費電子產品到工業設備等應用。這些超級電容器有多種尺寸、容量和模塊化配置可供選擇，可以延長電池壽命，或者在某些情況下完全更換電池。
Murata 的超薄 DMH 超級電容器在 20 x 20 x 0.4 毫米封裝中提供 35 mF 容量、4.5 V 標稱電壓和 300 mΩ ESR。
TDK EDLC 采用最新材料技術制成，非常適合用于輔助電源和能量收集設備等應用。該解決方案提供多種容量，工作電壓介于 3.2 和 5.5 V 之間。

根據應用，工程師可以選擇各種明確設計的設備來處理超級電容器的獨特充電/放電要求。ADI 公司提供 LTC3350，這是一款電源控制器，能夠加載和監控多達四個超級電容器的一系列堆棧。

圖 5：LTC3350 的典型應用

Maxim Integrated H 橋驅動器 MAX13256 是另一種為超級電容器充電的解決方案。在超級電容器的正極導體和電路的輸出之間并聯添加一個二極管和一個電阻器，限制了正常操作期間用于再充電的電流（圖 5）。

結論

超級電容器是一種新興的儲能技術，將在物聯網系統的未來發揮重要作用。盡管與其他電池技術相比，鋰離子電池越來越搶占市場，但在功率和循環次數方面，它們永遠無法與超級電容器競爭。電池和超級電容器的組合為汽車領域的許多電源管理系統提供了最佳解決方案。對于電動汽車，超級電容器已在啟動/停止系統、發動機輔助和充電站中找到了空間。