Paper1 电容器-法拉电容

法拉电容又叫双电层电容器、黄金电容、超级电容器，是从上个世纪七八十年代发展起来的一种化学元件。超级电容器通过极化电解质来储能，但不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。法拉电容与普通电容的区别首先是容量上的差别。普通电容器容量最大在1万~4万微法，超级电容器最大容量可达数千法拉，1法拉=100万微法，所以超级电容又叫做法拉电容。

两个电极、带正电荷和负电荷离子的电解质溶液，以及多孔电解质隔膜（在隔离两个电极的同时允许带电离子穿过）。在充电过程中向超级电容施加电压时，电解质混合物中的负电荷离子被吸引到阳极。由于离子无法迁移出溶液，因此在电极和电解质之间的表面会产生一层电荷量相等但电性相反的电荷，这一现象称为称为亥姆霍兹层。而且在另一个电极的表面上也会形成类似的层，因此这个超级电容也被称为“双电层电容”（EDLC）。

特点

（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；
（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”，也不存在过度放电的问题；
（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；
（4）功率密度相对较低，约为2W/KG_{3W/KG，相当于铅酸电池的1/5}1/10；
（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；
（6）充电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，长期使用免维护；
（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；
（8）检测方便，剩余电量可直接读出；
（9）容量范围通常0.01F--1000F ，而耐压往往偏低（几伏特到十多伏，新开发出的也不过二十多伏）。
超级电容可做成超级电容模组，适合高容量的需求。

缺点

（1）超级电容的耐压均不高。实际使用中过压保护电路必不可少。有人经常将二个到多个超级电容串接来接入大电压环境中。这种做法是不对的。因为随着电容的漏电，而电容的品质又不尽相同，在后期多次的充放电后容易造成局部单元过充而击穿的现象。
（2）超级电容毕竟不是电池，存在电压随着放电而逐渐下降的问题，所以需要较复杂的输出电路

应用

1）法拉电容的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的。对于快速充放电，法拉电容器小的ESR意味着更大的功率输出。
（2）瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。
（3）应用举例
1)快速充电应用，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具；
2)在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充；
3)应用于能量充足，功率匮乏的能源，如太阳能；
4)当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持；
5)小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源。

供应商

国内法拉电容生产厂家大大小小有几十家，领头的有锦州凯美、北京集星、万裕、北京合众汇能、烯晶碳能GMCC等等

超级电容（EDLC）技术指南连载（四）：村田超级电容的电气特性

5.1. 公称容量
村田的超级电容中有220Mf~1,000mF范围的公称容量产品。将这些容量定义为在100mA的恒定电流放电间的电压下降速度（图21）。首先，超级电容达到额定电压之前，以500mA进行充电，持续30分钟。然后以100mA（I=0.1A）进行放电。

村田的超级电容容量使用以下公式，用V1到V2 的时间计算得出。V1、V2 分别是额定电压的80%、40%的值。

5.2. ESR
如第4节所示，村田的超级电容的等价串联阻抗（ESR）的范围是40mΩ~300mΩ。使用阻抗计用1kHZ的交流法测量ESR（图22）。测量电流为10mArms，不施加偏置电压进行测量。

5.3. 恒定电流放电
超级电容通过一定的电流放电时，随着时间的流逝电压几乎呈直线下降趋势（图23）。

因为超级电容内部阻抗(ESR),放电开始后，可以看到初始电压下降（∆V ≈ I*ESR）。放电电流越大初始电压下降越大。此外，在ESR高的超级电容中，初始电压下降变大。

初始电压下降后，随着时间的流逝超级电容的电压也下降。下降的速度由电流值和静电容量值决定（∆V/∆t ≈ I/C）。电流值越高或者容量值越低，电压下降会更快。但是，∆V/∆t ≈ I/C是理想的关系（参照图8的左图）。非常高的电流和非常低的电流放电时，下降速度无法用这个关系式表达。原因是多个超级电容并联连接的C构成的等价电路构造（参照图8的右图）。

图24和图25所示是恒定电流放电实际的超级电容的动态图。超级电容可进行高达10A的放电。

5.6. 充电电流和漏电流
超级电容显示充电时电流的特性工作状态。电容和超级电容充电时理想的工作状态如图31和图32所示。

理想的电容时，随着时间的流逝充电电流急速下降，短时间内充电完成。充电完成后，存在漏电流。

一方面，超级电容如1.3所示，活性炭电极表面有各种大的孔，是复杂的等价电路（图8，图32）。多个并联连接的C和串联连接的R对充电电流有影响。一般电极表面浅的孔上有小的C和R，所以在非常短的时间内大电流流入。另一方面，电极表面深的孔上有大的C和R，所以微弱的电流要花费很长时间才能流入。因此，超级电容完全充电要花费很长时间，通过微弱电流慢慢充电。

大多用途中，无需考虑这种微弱的充电电流，像能量收集这种低输出的充电用途上使用超级电容时，则需要考虑。

村田超级电容的实际充电电流状态如图33和图34所示。在数百个小时内都能看到微弱的电流。实际的漏电流是1 uA。

能够让超级电容器在特定电压下保持“已充电”状态下所需的电流量称为“漏电流”（LeakageCurrent）。充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定，最后其稳态电流就是“漏电流”。超级电容器通过离子“吸收”和“释放”造成充电，并且当离子试图到达活性炭的细孔内部时，充电开始时的寄生电流很高。该初始电流称为“吸收电流”。该充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定。在开始施加电压30分钟后的主电流分量是吸收电流。当吸收电流减小时，漏电流成为主要成分。

自放电特性

当充电电源与超级电容器断开后，由于其高内阻而开始失去电荷，这被称为自放电（Self-Discharge）特性。在无负载条件的一段时间后，充电电容器中的电压降，每两周可能造成5-60％的电压损失。实验表明自放电率与各种参数相关——如温度、充电持续时间和放电时间。图2显示了KEMET公司的FC系列超级电容器的自放电特性。

自放电流的计算
通过将充电电压直接连接于电容器的两极（即电源和超级电容器之间没有电阻器）作长时间充电，例如24小时，然后断电，测量引脚到引脚间电压，得出时间与终端电压的关系(该试验应在环境温度为25℃或更低，相对湿度为70％RH或更低的环境中进行)，自放电电流可根据此特性曲线利用如下方程计算出。

自放电流

当中, C 是电容值 Capacitance (F)

V0是某时段起始终端电压(V)

V1 是某时段最后终端电压(V)

Vdrop 是因电容内阻DCR的电压降(V)

T 是某设定时段 (sec)

Reference

1. 超级电容（EDLC）技术