【电路笔记】-超级电容器

超级电容器

超级电容器是能够存储大量电荷的电能存储设备。

1、概述

与以热的形式耗散能量的电阻器不同，理想的超级电容器不会损失能量。 我们还看到，电容器最简单的形式是两个平行的导电金属板，它们被绝缘材料（例如空气、云母、纸、陶瓷等）隔开，并通过一定距离“d”称为电介质。

电容器通过其存储电荷的能力来存储能量，电容器上存储的电荷量取决于施加在极板上的电压 V，电压越大，电容器存储的电荷就越多，如下所示： 无穷大V。

电容器有一个比例常数，称为电容，符号$C$，表示电容器存储电荷的能力或容量，电荷量取决于电容器的电容值：$Q\infty C$。

然后我们可以看到电荷、Q、电压V和电容C之间存在关系，并且电容越大，在相同电压下电容器上存储的电荷量越高，我们可以定义这种关系 对于电容器为：

2、对电容器充电

其中：Q（电荷，单位库仑）= C（电容，单位法拉）乘以 V（电压，单位伏特）

电容的单位是库仑/伏特，也称为法拉（F）[以M.法拉第命名]，1法拉定义为电容器的电容量，需要1库仑的电荷才能建立电位差 两个极板之间的电压为 1 伏。

但对于大多数实际电子应用来说，传统的一法拉电容器将非常大，因此微法拉 (μF)、纳法拉 (nF) 和皮法拉 (pF) 等更小的单位通常用于以下情况：

微法 (μF) 1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = $10^{?6}F$
纳法 (nF) 1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = $10^{?9}F$
皮法 (pF) 1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = $10^{?12}F$

然而，还有另一种类型的电容器可用，称为超级电容器或超级电容器，它可以以非常小的尺寸提供从几毫法拉 (mF) 到数十法拉的电容值，从而可以在它们之间存储更多的电能。 盘子。

在我们关于电容和电荷的文章中，我们看到电容器中存储的能量由以下方程给出：

其中：E 是电场中存储的能量（以焦耳为单位），V 是极板之间的电势差，C 是电容器的电容（以法拉为单位），定义为：

其中：ε是板间材料的介电常数，A是板的面积，d是板的间距。

超级电容器是另一种类型的电容器，其构造有一个称为电极的大导电板、表面积 (A) 以及它们之间的非常小的距离 (d)。 与使用固体和干燥介电材料（如聚四氟乙烯、聚乙烯、纸等）的传统电容器不同，超级电容器在其电极之间使用液体或湿电解质，使其更像是一种类似于电解电容器的电化学装置。

尽管超级电容器是一种电化学装置，但其电能存储过程中不涉及化学反应。 这意味着超级电容器实际上仍然是静电装置，以如图所示的两个导电电极之间的电场形式存储电能。

3、超级电容构造

双面涂层电极由活性导电碳、碳纳米管或碳凝胶形式的石墨碳制成。 称为隔膜的多孔纸膜使电极保持分开，但允许正离子通过，同时阻挡较大的电子。 纸质隔板和碳电极都浸有液体电解质，两者之间使用铝箔作为集电器，与超级电容器焊片进行电连接。

碳电极和隔膜的双层结构可能非常薄，但当盘绕在一起时，它们的有效表面积可达数千平方米。 那么为了增加超级电容器的电容，显然我们需要在不增加电容器物理尺寸的情况下增加接触表面积A（以m2为单位），或者使用特殊类型的电解质来增加可用的正极 离子以增加电导率。

然后，超级电容器成为出色的能量存储设备，因为它们的电容值高达数百法拉，由于它们的极板和电极之间的距离 d 非常小或分离，因此在表面上形成的高表面积 A 电解离子层形成双层。 这种结构有效地创建了两个电容器，每个碳电极各一个，从而使超级电容器获得了“双层电容器”的第二名称，形成两个串联的电容器。

然而，这种小尺寸的问题在于，电容器两端的电压只能非常低，因为超级电容器电池的额定电压主要由电解质的分解电压决定。 然后，典型的电容器电池的工作电压在 1 至 3 伏之间，具体取决于所使用的电解质，这会限制其可存储的电能量。

为了以合理的电压存储电荷，超级电容器必须串联。 与电解电容器和静电电容器不同，超级电容器的特点是端电压低。 为了将额定端电压增加到几十伏，超级电容器单元必须串联或并联以获得更高的电容值，如图所示。

增加超级电容器的价值

其中：$V_{CELL}$ 为一节电池的电压，$C_{CELL}$ 为一节电池的电容。

由于每个电容单元的电压约为3.0伏，将更多的电容单元串联在一起会增加电压。 而并联更多的电容单元会增加其电容量。 那么我们可以将超级电容器组的总电压和总电容定义为：

其中：M 是列数，N 是行数。 另请注意，与电池一样，超级电容器和超级电容器具有明确的极性，正极端子标记在电容器体上。

4、超级电容器示例1

电子电路需要 5.5 伏、1.5 法拉超级电容器作为储能备用设备。 如果超级电容器由单独的 2.75v、0.5F 电池制成，请计算所需的电池数量和阵列布局。

因此，该阵列将具有两个 2.75V 的电容器单元，每个电容器单元串联连接以提供所需的 5.5V 电压。

然后，该阵列将总共有六列，由两行各六列组成，从而形成一个具有 6 x 2 阵列的超级电容器，如图所示。

6×2超级电容器阵列

5、超级电容器能量

与所有电容器一样，超级电容器是一种能量存储设备。 电能以电荷的形式存储在其板之间的电场中，由于存储的能量，两个板之间存在电势差，即电压。 在充电期间（电流从连接的电源流过超级电容器），电能存储在其极板之间。

一旦超级电容器充电，电流就停止从电源流出，超级电容器端电压等于电源电压。 因此，即使从电压源中移除，充电的超级电容器也会存储电能，直到需要它充当能量存储设备为止。

放电时（电流流出），超级电容器将储存的能量转变为电能，为连接的负载供电。 那么超级电容器本身不消耗任何能量，而是根据需要存储和释放电能，超级电容器存储的能量与电容器的电容值成正比。

如前所述，存储的能量与电容 C 和两端电压 V 的平方成正比。

其中： E 是以焦耳为单位存储的能量。 对于上面的超级电容器示例，阵列存储的能量如下：

那么我们的超级电容器可以存储的最大能量为22.7焦耳，该能量最初是由5.5伏充电电源提供的。 这种存储的能量仍然可以作为电解质电介质中的电荷使用，并且当连接到负载时，超级电容器的全部 22.69 焦耳能量可以作为电流使用。 显然，当超级电容器完全放电时，存储的能量为零。

然后我们可以看到，理想的超级电容器不会消耗或耗散能量，而是从外部充电电路获取能量，将能量存储在其电解质场中，然后在向负载供电时返回所存储的能量。

在上面的简单示例中，超级电容器存储的能量约为 23 焦耳，但由于电容值较大且额定电压较高，超级电容器的能量密度可以非常大，使其成为理想的储能设备。

事实上，额定值达到数千法拉和数百伏的超级电容器现在正在混合动力电动汽车（包括一级方程式赛车）中用作再生制动系统的固态储能设备，因为它们可以在制动和制动过程中快速释放和接收能量。 之后加速。 超级电容器也用于可再生能源系统中以取代铅酸电池。

6、总结

我们已经看到，超级电容器是一种由两个多孔电极组成的电化学装置，通常由浸入电解质溶液中的活性炭组成，以静电方式存储电荷。 这种布置有效地创建了两个电容器，每个碳电极一个，串联连接。

超级电容器的电容为数百法拉，物理尺寸非常小，并且可以实现比电池高得多的功率密度。 然而，超级电容器的额定电压通常小于约 3 伏，因此必须串联和并联组合多个电容器才能提供任何有用的电压。

超级电容器可以用作类似于电池的储能装置，实际上也被归类为超级电容器电池。 但与电池不同的是，超级电容器可以在更短的时间内实现更高的功率密度。

此外，超级电容器现在用于许多混合动力汽油汽车以及燃料电池驱动的电动汽车，因为它们能够快速释放高电压，然后再次充电，为下一个周期做好准备。

通过将超级电容器与传统燃料电池和汽车电池一起使用，可以更有效地控制峰值功率需求和负载条件的瞬态变化。