超级电容器的发展趋势

超级电容器 (SC)通常在约 2.7 V 的低电压下工作。为了获得更高的工作电压，有必要建立串联的 SC 电池级联。由于生产或老化引起的电容和绝缘电阻变化，单个电容器的电压降可能超过额定电压限制。因此，需要一个平衡系统来防止电容器单元的加速老化。

下面，原则上说明这种串联电路中不等分压的影响。为了更好地理解，我们讨论了使用两个电容器串联连接的平衡策略。

超级电容器串联不平衡

可以通过并联一个 RC 元件和一个绝缘电阻来模拟一个电容器。目前，我们可以忽略绝缘电阻并考虑两个电容为C 1和C 2的电容器串联。在这种情况下，能量的数量是电容器上的电荷q，即在其内部界面上。在电荷守恒定律的帮助下

是每个电容器上的电压降

和

和

作为总电压。下面，我们可以考虑C 1大于C 2的情况。在这种情况下，每个电容器上的电压降为

和

和

要将每个电容器的电压设置为 V r = V 1 = V 2，必须增加电容器 1 上的电荷并减少电容器 2 上的电荷。使用电流的定义（I = dq / dt），电压可以写为

和

电流I 1,2被解释为必须在时间跨度Δt内流动以平衡该系统的电流。在给定时间段Δt内平衡电压差ΔV所需的恒定电流为

平衡策略

文献根据各种特征对平衡策略进行分类，例如：

耗能行为

平衡速度

使用的技术类型

价钱

因此，在选择正确的平衡策略时，了解特定应用的所有参数和约束以做出正确的选择非常重要。在这里，我们区分主动平衡和被动平衡。

测量

测试了 Würth Elektronik 的两个 SC 的串联连接：

电容器 1：C 1 = 10 F

电容器 2：C 2 = 15 F

这对应于与标称电容 C r = 12.5 F的理论电容器的偏差。

对于充电，我们使用了 V g = 5.4 V 的充电电压和 I c = 2 A的最大充电电流。

为了可靠的电路设计，我们想强调的是，具有不同标称电容的 SC 的组合是不可取的。选择此组合仅用于实验目的。

1kΩ 电阻器

对于被动平衡，我们使用了一个 1 kΩ (1%) 的电阻器，额定功率为 0.6 W。选择该电阻器是为了缩短平衡时间而不是低功耗。如图 1 所示，测得的电压V 1和V 2以及产生的电压差V 1 – V 2表明大约 600 分钟后完全平衡。V 1和V 2渐近接近V r。

12 小时后的总功耗（根据有效漏电流I loss计算）为 2.8 mA × 5.4 V ≈ 15 mW。对于低功耗应用或备用解决方案，这种补偿速度可以足够快，并且功耗是可以接受的。对于独立电池供电的应用，应增加电阻以减少损耗。为了安全起见，还建议降低工作电压以避免过压。



审核编辑：刘清