備用電源的應(yīng)用的增多促使對(duì)超級(jí)電容器的需求增加

需要瞬時(shí)備用電源的應(yīng)用的增多促使對(duì)超級(jí)電容器的需求增加。超級(jí)電容器（supercapacitor，也稱為ultracapacitor），是具有比常規(guī)電容器存儲(chǔ)更多能量的能力的電化學(xué)電容器。超級(jí)電容器可以比電池更快的充電和提供能量。圖1比較了常規(guī)電容器、超級(jí)電容器、常規(guī)電池和燃料電池的功率和能量密度。

超級(jí)電容器的顯著優(yōu)點(diǎn)是其在老化之前可以循環(huán)數(shù)千次，而電池則只能循環(huán)數(shù)百次。此外，與圖2所示的電池相比，超級(jí)電容器具有深度放電的能力。然而，由于電解質(zhì)的分解電壓，大多數(shù)超級(jí)電容器的最大額定值為2.7V-3V。圖2比較了超級(jí)電容器和電池的充電/放電曲線。

超級(jí)電容器的最新發(fā)展已經(jīng)引入可充電至較高電壓（高達(dá)4V）的鋰離子混合電容器，該電容器自放電較少，因此具有較高的能量密度。這些超級(jí)電容器的缺點(diǎn)是不能放電到低于約2.2V，否則將被損壞。

超級(jí)電容器的組成使得它們的自放電率明顯高于電池。超級(jí)電容器的工作溫度越高，充電的電壓越高，老化越快；超級(jí)電容器的電容會(huì)減小，等效串聯(lián)電阻（ESR）增加。這意味著超級(jí)電容器可以為應(yīng)用提供的能量減少。超級(jí)電容器的能量可以用公式1表示：

（1）

W是超級(jí)電容器提供的能量，C是超級(jí)電容器的電容，V是超級(jí)電容器的電壓。電容器的ESR增加了系統(tǒng)的功率損耗。

圖3顯示了溫度和電壓對(duì)超級(jí)電容器老化的影響。溫度僅僅增加10°可以將超級(jí)電容器的壽命減少一半。此外，通常的做法是將超級(jí)電容器充電至低于標(biāo)稱電壓的電壓，以增加其壽命。

由于超級(jí)電容器充電的最大電壓在2.7V和3V之間，因此，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說有必要串聯(lián)連接幾個(gè)超級(jí)電容器。因此，必須平衡超級(jí)電容器；否則一個(gè)單元可能比另一個(gè)單元更多地充電，導(dǎo)致不相等的電容器老化，降低電容器組為應(yīng)用提供所需能量的能力。

平衡超級(jí)電容器采用的方法包括：使用電阻器串的無(wú)源平衡，使用開關(guān)電阻器，使用齊納二極管和有源平衡。前三種方法會(huì)導(dǎo)致電阻器中的功率損耗，第四種方法是最有效的，但也是最貴的。

當(dāng)超級(jí)電容器用于備用電源應(yīng)用時(shí)，必須監(jiān)控其電容和ESR，以確保能夠提供應(yīng)用所需的最低能量。TI的bq33100是超級(jí)電容管理器，可以跟蹤超級(jí)電容器組的電容和ESR；還可以監(jiān)測(cè)其他重要數(shù)據(jù)，如溫度、電壓、電流和安全情況。bq33100可以通知主機(jī)電容器組是否較弱，并進(jìn)行平衡。bq24640是一款高效開關(guān)模式超級(jí)電容充電器，能夠?qū)㈦娙萜鹘M從2.1V充電至26V。。

TI的超級(jí)電容器管理器參考設(shè)計(jì) （TIDA-00258）是用于評(píng)估和監(jiān)控超級(jí)電容器的系統(tǒng)解決方案。它集成了線性充電器參考設(shè)計(jì)和bq33100超級(jí)電容管理器。下次為設(shè)計(jì)評(píng)估備用電源時(shí)，可以考慮一下超級(jí)電容器！

審核編輯：何安淇