级电容器简介
超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率物理二次电源，已成功的用作内燃发动机的启动电源；电动车的起步、加速、爬坡电源；高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。
目前我国山东神工海特、上海奥威、北京集星等几家公司已成功开发、生产出此类电容器。其系列技术指标为：电容量：0.2F-600F，工作电压：2.7v-400V，最大电流400A-2000A。
我国六十~八十年代建设的35KV变电站及10KV开关站，绝大多数高压开关（断路器）操动机构是CDX型电磁操动机构。在这些站的配电室中专门配有相应的直流系统，作为分、合闸操作、控制、保护用的直流电源。这些直流电源设备，主要是电容储能式硅整流分合闸装置和部分由蓄电池组构成的直流屏。
由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本低、维护量小的特点，因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用，但是这些装置在实际使用中暴露出一个致命的令用户不可容忍的缺陷：事故分闸的可靠性差，其原因是使用的储能电解电容器组的容量有限（只有几千个微法），漏电流较大。有限的储能及停电后较大的漏电，使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量，由此造成的严重事故时有发生。不得已有些用户将其换成小容量的蓄电池组，其目的就是为了能保障分闸的能量，然而先抛开蓄电池组价格昂贵、寿命有限不说，单就从必须按规定对其进行维护保养才能正常工作这一点来说，就是让人头疼的问题，因为这里的蓄电池组不承担合闸任务，长时间处于备用状态，有些问题（如单个电池不良，**效应）不象蓄电池组直流屏那样从合闸操作中发现，这就要求工作人员主动定期的对蓄电池进行维护保养，由于工作量大，实际上这些工作在现场很难做到百分之百落实，甚至有些工作人员编造工作记录蒙哄过关，因此蓄电池组的内部状态是否时刻正常已很难保证，比如不及时发现蓄电池组中有问题的蓄电池进行更换，以及不定期消除镉镍电池的**效应。一旦供电线路出现事故需迅速分闸时，就有可能提供不了足够的能量，有可能造成更大的事故。这些现象在有些站特别是大行业的用户站，已不止一次发生过。
由蓄电池组成的直流屏，能存储很大的电能而实现停电后的长时间的直流供给，在一些重要站（如110KV及以上级别的变电站）这是必要的功能，然而象有些不重要的末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给。考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备，然而带来的却是很高的运营成本。经常的维护保养以及不长的使用寿命。另外故障率也因其电池的多节串联而增加（任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的照常工作。
对上述设备不尽如人意的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。
超级电容器的应用方案之一
本方案适用于在用电容储能（或已更换蓄电池组）式硅整流分合闸装置。在原电路上改造的电路原理如图一所示：其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的为改造要去掉的电解电容器组或蓄电池组。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾为为需加入的超级电容器及电路，每只超级电容器参数为0.85F/280V，（85万微法）两只超级电容器采用同时工作，互为热备的工作方式。R1R2为充电限流电阻，根据所需充电速度的大小可选择500W或1000W卤钨灯（或100W~200W白炽灯）其冷态电阻较热态电阻小5~6倍，比较适合电容器电压建立后宜减小限流电阻的要求。这一方案的优势为：
1. 在保留了原设备结构简单，成本低，维护量小的特点的同时，保证了分闸能量供应的绝对可靠，这是因为超级电容器的储能较原电解电容器组大了几百倍，在停电后可保证数百次的分闸，安全余量非常大。
2. 极小的漏电使其荷电保持能力非常强，停电数天后应有上百次的分闸能力。
3. 一旦其中一只电容出现问题不会影响另一只的独立工作，其检查功能，在不影响另一只正常投入工作的情况下可在例行的检查中发现故障超级电容而更换掉。
超级电容应用方案之二
本方案主要适用于生产厂改型的电容储能式分合闸装置。本方案是将原电容储能式分合闸装置的大功率合闸整流电源部分换成小功率电源，只供超级电容器充电和一些经常负荷，去掉原装置中的电压补偿电解电容器组，由超级电容器负责高压开关的合闸及事故失电分闸。在这里合闸一次电压只降低3V左右，而这一电压降将很快被充电补充，适合连续合闸，这一方案的成本将低于原电容储能式硅整流分合闸装置，有着同方案一同样的优势，还可以在停电后有数分钟的经常负荷供电能力，较原装置是一个进步。C1、C2、R1、R2的选择同方案一。L、R的作用是只允许经常负荷电流通过，抑制合闸冲击电流的通过。
超级电容器应用方案之三
本方案适用于在不重要的末端站（不需要停电后长时间的直流电供给）使用了由蓄电池组组成的直流屏的改造，其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的部分为改造要去掉的部分。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾的部分为改造要加入的部分。本方案的功能同方案二，由于舍去了蓄电池组，从而大幅度降低了使用成本，减小了维修保护量，电源寿命延长，同时由于电容充电很快，因此不像蓄电池组那样，停电分闸后，怕亏电。R1R2的选择同方案一。
超级电容器应用方案四
本方案是设计一种新型的直流屏。我们知道蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件：第一是满足冲击负荷最大放电电流合闸要求。第二是满足经常负荷电流下的时间要求：当根据冲击负荷最大电流选择的电池容量（安时数）大于经常负荷的容量要求时，就可以将超级电容器与蓄电池组组成复合电源，由超级电容器承担冲击负荷，由蓄电池承担经常负荷，蓄电池组的容量就按经常负荷的要求选小些，这样既降低了成本、减小了维护量，同时又使蓄电池组免受大电流的冲击而延长使用寿命。这种复合电源的原理如图四所示：L、R的作用同方案二，R1的选择同方案一。
另外，也可将具有（超）高倍率放电能力的镉镍蓄电池换成同等容量的免维护铅酸蓄电池，按图四与超级电容器组成复合电源，这样既保留了蓄电池体积小的特点，又大幅度降低了蓄电池的成本，获得了与使用镉镍蓄电池同样的效能。
超级电容器在税控机、税控收款机上的应用
税务部门推广使用税控装置，运用国际先进的监控手段堵塞**漏洞，相当于给每一台税控装置装上了类似飞机的“黑匣子”， 能储存企业近期的经营信息、开**的情况等，于是出现了一系列的税控产品，如税控收款机、IC卡税控加油机。
此类税控装置都应该具有断电保护功能，即当出现突然断电时，仍能将数据存储，并能进行短时间IC读写卡的操作过程，这时需要有后备电源作保护。一般常用的方法是利用蓄电池进行供电，但存在某些弊端，如下表。超级电容器又叫法拉电容，是一种新型的储能元件，其特性介于电池及普通电容器之间，可以作为税控装置可靠的后备电源。
在断电时，由超级电容器为控制电路提供能量，CPU可在短时间执行数据存储过程，读写完成后，电容器再提供瞬间脉冲电流（几A），将IC卡弹出。
超级电容器在太阳能光伏产品上的应用
◆LED：高亮发光二极管
◆R1，R2：限制电阻
◆C：陶瓷电容
◆D1：普通二极管
◆K：受控开关
◆工作过程简述如下：
当白天光线较强时，光电转换器将光信号转换为
电信号通过二极管给超级电容器充电，受控开关
K处于断开，LED不亮；夜间光线弱时，光电转
换器停止向超级电容器充电受控开关K导通，超
级电容器开始向LED放电，直至光电转换器再次
工作。
◆超级电容器充放电时间计算方法
一般应用在太阳能指示灯上时,LED都采用闪烁发
光,例如采用一颗LED且控制每秒闪烁放电持续时间为0.05秒,对超级电容器充电电流100mA,LED放电电流为15mA.
下面以2.5V50F在太阳能交通指示灯上的应用为例,超级电容器充电时间计算如下：
C×dv=I×t
C: 电容器额定容量；
V：电容器工作电压；
I：电容器充电；
t: 电容器充电时间
故2.5V50F超级电容器充电时间为：
t =(C×dv)/I
=(50×2.5)/0.1
=1250s
超级电容器放电时间为：
C×dv-I×C×R=I×t
C: 电容器额定容量；
V：电容器工作电压；
I：电容器放电电流；
t: 电容器放电时间；
R：电容器内阻
则2.5V50F超级电容器从2.5V放到0.9V放电时间为：
t =C×(dv/I-R)
=50×[（2.5-0.9）/0.015-0.02]
=5332s
应用在LED上工作时间为5332/0.05=106640s=29.62小时
超级电容器在手电筒上的应用
手摇手电筒产品说明：
1、免换电池，只要摇晃30秒钟，即可发光5分钟。
2、照射距离1公尺。
3、原装进口，流行透明造型设计，新颖美观。
4、系利用电磁能原理，只要将电筒摇动10 ~ 30秒，便可将动能转变为电能，即可发出超炫蓝光。
5、省电LED灯泡，符合世界环保要求，质量稳定性高。
6、短波长，超亮亮度，照射目测有效距离1公尺，适合露营、登山等，求生必备。
7、迷你体积，随时配带，适合长时间夜间使用，如**妇女、警务人员夜间临检、路检查验证件等最佳装备。
8、尺寸：28 x 5.5cm
超级电容器在智能表类上的应用
（一）智能水表简介
传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路，锂电池使用到一定时间后，将无法为控制电路提供能量，不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表，这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。针对这一问题，水表生产厂家设计了很多方案，如：尽量降低功耗，在静态时控制漏电流在10uA以内，保证电池可以连续使用5年以上，这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求，增加了设计难度和成品检测的工序，元器件成本也增加了。如加上可靠的电池电量监测电路，也会使成本增加。
（二）方案
为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试一种全新的方案，那就是用超级电容代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。
超级电容的特性
超级电容与电池比较，有如下特性：
1、超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。
2、超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。
3、可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无**效应。
4、免维护，可密封。
5、温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。
方案描述
与内装锂电池的智能水表相比较，这种方案是用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电，在需要开启水阀时，先检测超级电容是否存储足够能量，如果没有存储足够能量，将不开启水阀，当检测它存储足够能量时，由外接干电池提供能量将水阀开启；在需要关断水阀时，如果外接电池不能提供能量将水阀关断，那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱，平时将水存储起来，在停水时提供必要的水。
方案优点
这种方案明显优于以前的设计，优点如下：
1、将电池从水表中分离出来，从而可以不考虑电池寿命对水表的影响，延长了水表的使用时间。
2、另一方面，超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接干电池电量不足时，仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。
3、以前一味追求的漏电流指标，主要是为了保障电池的使用寿命，改用超级电容后，漏电流指标变得不重要。如果电池电量不足，用户可以随时更换。这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低。
（三）结论
这种方案克服了现阶段智能水表的缺点，为智能水表的发展找到了一条新的道路，实践证明是切实可行的，值得大力推广。
超级电容器在玩具中的应用
电动玩具汽车是儿童喜爱的一种玩具，长期以来靠装备蓄电池于其中。超级电容作为储能器件，应用于玩具汽车，优势非常明显，它可使汽车体积和重量减轻，充放电寿命延长，成本降低（相对于使用Ni-MH或Li-Ion电池）。
原理：将超级电容与Motor连接在一起，LED用于显示充电情况。使用时用外部充电器对电容充电，当LED灯足够亮时表示充电结束，玩具车可以与充电器分离，使用时由超级电容对Motor供电，以维持玩具车行驶。在此，超级电容完全取代了电池，并且体现其优势。
如何选择超级电容器
超级电容器的两个主要应用：高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征：瞬时流向负载大电流；瞬时功率保持应用的特征：要求持续向负载提供功率，持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用：断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R)，而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。
下面提供了两种计算公式和应用实例：
C(F)： 超电容的标称容量；
R(Ohms)： 超电容的标称内阻；
ESR(Ohms)：1KZ下等效串联电阻；
Uwork(V)： 在电路中的正常工作电压
Umin(V)： 要求器件工作的最小电压；
t(s)： 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间；
Udrop(V)： 在放电或大电流脉冲结束时，总的电压降；
I(A)： 负载电流；
瞬时功率保持应用
超电容容量的近似计算公式，该公式根据，保持所需能量=超电容减少能量。
保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；
超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，
因而，可得其容量(忽略由IR引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
实例：
假设磁带驱动的工作电压5V，安全工作电压3V。如果直流马达要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。
因为5V的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而，可以将两电容器串联。如两相同的电容器串联的话，那每只的电压即是其标称电压2.5V。
如果我们选择标称容量是1F的电容器，两串为0.5F。考虑到电容器－20％的容量偏差，这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F的电容器，能提供1.5F/2=0.75F。考虑－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。大电流脉冲后，磁带驱动转入小电流工作模式，用超电容剩余的能量。
在该实例中，均压电路可以确保每只单体不超其额定电压。
脉冲功率应用
脉冲功率应用的特征：和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间从1ms到几秒。
设计分析假定脉冲期间超电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组成：由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下：
Udrop=I(R+t/C)
上式表明电容器必须有较低的R和较高的C压降Udrop才小。
对于多数脉冲功率应用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F为例。它的内阻Ｒ可以用直流ESR估计，标称是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。额定容量是1.5F。对于一个0.001s的脉冲，t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脉冲t/C也小于0.0067Ohms，显然R（0.090Ohms）决定了上式的Udrop输出。
实例：
GSM/GPRS无线调制解调器需要一每间隔4.6ms达2A的电流，该电流持续0.6 ms。这种调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA卡上。笔记本的和PCMCIA连接的限制输出电压3.3V+/-0.3V笔记本提供1A的电流。许多功率放大器（PA）要求3.0V的最小电压。对于笔记本电脑输出3.0V的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V的工作电压下（最小3.0V），允许的压降是0.6V。
选择超级电容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：0.250Ohms）。对于2A脉冲，电池提供大约1A，超电容提供剩余的1A。根据上面的公式，由内阻引起的压降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由内阻引起的压降相比是小的。
结论
不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算．当电路的工作电压超过超电容的工作电压时，可以用相同的电容器串联．一般地，串联应该保持平衡以确保电压平均分配．在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案。
超级电容器使用注意事项
1、超级电容器具有固定的极性。在使用前，应确认极性。
2、超级电容器应在标称电压下使用：
当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。
3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。
4、超级电容器的寿命：
外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。
5、当超级电容器被用做后备电源时的电压降：
由于超级电容器具有内阻较大的特点，在放电的瞬间存在电压降，ΔV=IR。
6、使用中环境气体：
超级电容器不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所，这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀，导致断路。
7、超级电容器的存放：
超级电容器不能置于高温、高湿的环境中，应在温度-30+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存，避免温度骤升骤降，因为这样会导致产品损坏。
8、超级电容器在双面线路板上的使用：
当超级电容器用于双面电路板上，需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方，由于超级电容器的安装方式，会导致短路现象。
9、当把电容器焊接在线路板上时，不可将电容器壳体接触到线路板上，不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内，对电容器性能产生影响。
10、安装超级电容器后，不可强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。
11、在焊接过程中避免使电容器过热：
若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的使用寿命，例如：如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板，焊接过程应为260℃，时间不超过5s。
12、焊接后的清洗：
在电容器经过焊接后，线路板及电容器需要经过清洗，因为某些杂质可能会导致电容器短路。
13、将电容器串联使用时：
当超级电容器进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响，故在电容器进行串联使用时，需得到厂家的技术支持。
14、其他：
在使用超级电容器的过程中出现的其他应用上的问题，请向生产厂家咨询或参照超级电容器使用说明的相关技术资料执行。
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