适合能量收集应用的性能特征的超级电容器

能量收集应用依赖于来自环境源的小而不规则的能量产生，例如光，振动或射频，并且通常需要某种形式的能量存储以满足峰值需求。电化学双层电容器（EDLC）或超级电容器具有适合能量收集环境的性能特征。工程师可以从广泛的设备特性和设计系统中进行选择，这些系统能够从环境源中清除电力，并满足日益复杂的设备和应用所需的峰值功率需求。

虽然材料和制造技术各不相同，但超级电容器是由两个涂有多孔材料的集电器基板制成的，例如悬浮在液体电解质中的碳或固体导电聚合物，其间有薄屏障（图1）。施加的电位导致离子聚集在每个收集器上，而屏障阻止电荷在它们之间移动。在储能或释放过程中不会发生化学反应，因此这些过程是可逆的，从而产生可以充电和放电数十万次循环的装置。

图1：虽然具体的制造方法和材料各不相同，但典型的超级电容器依赖于悬浮在电解质或聚合物中并被屏障隔开的两个集电极之间的静电势。 （来源：Cornell Dubilier Electronics）

在电极上使用多孔材料会产生大量的电荷存储表面积，而电极 - 电解质界面上形成的电荷分离会导致分子尺寸的电荷分离。从基本物理学来看，电容为∞A/d，其中A是板面积，d是板之间的面积。因此，通过以数百或数千平方米和纳米级间隔距离测量的有效板面积，超级电容器提供显着的比能量或容量。这种能力才刚刚开始接近电池。然而，超级电容器比电池提供更大的比功率，因为电池中的化学反应相对较慢，并且超级电容器释放能量很快，因为放电过程严格依赖于超级电容器的物理特性（见图2）。

图2：超级电容器能够提供相对较大的电流突发，以满足能量收集应用中的峰值需求。 （来源：Taiyo Yuden）

虽然超级电容器可以消除对电池的需求，但某种应用的功率要求可能需要连续的低功率电源，并辅以峰值功率需求。例如，无线传感器节点需要峰值功率用于在低功率模式下由传感器随时间收集的数据的无线通信突发。在这种类型的应用中，超级电容器是电池的理想补充。虽然电池提供持续电源，但超级电容器可用于脉冲电源需求。

在这种配对配置中，超级电容器可延长电池寿命并减小所需电池的尺寸和成本。将超级电容器与电池配对还为诸如能量收集的应用中的冷启动问题提供了解决方案。在这里，系统面临启动的问题，没有可用的存储能量或没有足够的能量来允许系统完成初始化并从备用能源恢复足够的电力以继续正常运行。

使用环境光的能量收集应用可能在长时间状态下可能面临类似的挑战，光能很少或没有。可能有足够的电源开始系统启动，但没有足够的电力来允许系统完成启动并开始有用的能量收集。过去，解决方案涉及使用更大的太阳能电池板或环境能量传感器。使用超级电容器，能量采集设计可以启动到一种模式，它首先为超级电容器充电，以提供足够的电力来安全地完成系统初始化。

超级电容器的延长生命周期及其储存和快速释放相对大量能量的能力使它们对于能量收集应用特别有效。它们的电气特性使其成为能效至关重要的应用的理想选择。超级电容器具有极低的漏电流和低等效串联电阻（ESR），即使在较高频率下也具有出色的性能（见图3），有助于确保几乎所有来自环境源的能量都可用于电源应用电路。

图3：在典型的超级电容器中，ESR在频率增加时保持相对平坦。来源：AVX

可提供低至0.16mΩ的ESR和高达5，000 F的电容，超级电容器可提供直径小至3.8 mm的各种封装。虽然制造商还提供针对具有更高电压要求的电动工具和汽车应用的超级电容器，但大多数器件系列都可用于能量收集设计的较低额定电压。

例如，AVX BestCap系列提供额定电压范围为3.5至25 V的超级电容器，ESR低至25mΩ，漏电流范围为5至120μA。其3.6 V BZ023A564Z 560 mF器件在1 kHz时的ESR为25mΩ，最大漏电流为40 uA。

同样，工程师可以从各种制造商那里找到具有高电容和低ESR的部件。伊顿的M系列超级电容器的电容范围为1.0至9.0 F，整个系列的ESR较低。 1.0 F M0810-2R5105-R在1 kHz时的ESR为200mΩ。其他制造商的1.0-F器件实现了相同数量级的ESR。在Elna America DZN系列中，2.5 V 1.0-F DZN-2R5D105T在1 kHz时具有100mΩESR，而来自Taiyo Yuden LR系列的2.3-V 1.0-F PAS0815LR2R3105具有70mΩESR并使用掺杂据该公司称，这种无定形结构可以存储比传统EDLC结构更多的离子。对于其2.7 V 3.0-F ESHSR-0003C0-002R7 UltraCap系列器件，NessCap引用了1 kHz时的61mΩESR，72小时后的漏电流为8μA。

3-F系列的超级电容器仍可提供几百毫欧的ESR。 Cornell Dubilier Electronics 3.3-F EDLHW335D2R3R EDL系列器件在1 kHz时具有300mΩESR。松下的AL系列3.3-E EEC-A0EL335在1 kHz时的ESR低于300mΩ。在4.7 F时，Nichicon的Evercap系列中的JUMT1475MHD在1 kHz时仅能达到400mΩ的ESR。

ESR通常会随着容量的增加而下降，如爱普科斯和United Chemi-Con的超大电容部件所示。爱普科斯（EPCOS）B49410A2115Q000 Ultracap在1 kHz时仅需3mΩESR即可提供110 F电流，而该公司DLCAP系列中的United Chemi-Con DDLC2R5LGN351KA65S器件则为350 F，ESR仅为8mΩ。

超级电容器的耐久性，包括上面提到的超级电容器，通常需要很多年，但规格差异很大。虽然列出的许多部件的耐久性值为10年或更长，但此持续时间通常在室温下列出。目录和数据表规格通常显示超级电容器在70°或80°C时的耐久性为1，000小时。工作温度每降低10度，实际预期寿命周期将增加一倍，并且电压降低与每个部件的额定电压相比成比例地延长。通过精心的封装和热量管理，工程师可以期待超级电容器的使用寿命超过十年。