超级电容器是并联还是串联
超电容量公式如下: 从上面的公式可以看出,如果超级电容串联,容值会降低,如果并联,容值会增加,那么为什么大多数模块都是串联的呢您可以看到超级电容的能量公式: 从能量公式可以看出,超级电容的电压值对超级电容的影响大于容量对超级电容的影响。由于目前超级电容的局限性,其额定电压相对较低,一般只有1~4V通过串联超级电容,可以增加整个模块的额定电压。虽然容量值降低,但整体能量仍在增加。 另一种理解方式是,两个相同型号的超级电容器比一个相同型号的超级电容器储存能量。 此外,串联可以提高电压值,这在单板应用中非常重要。事实上,许多电源芯片都有输入电压范围要求。例如,常见的电源电压为12V、5V,由于单体电压过低,直接备份供电显然不能满足应用要求。
超级电容模块电压不平衡的原因
由于生产过程等问题,超级电容器单体会有一定的差异,这也导致不同单体的电压分布不均匀,只是说超级电容器单体额定电压低,所以电容器单体很容易出现过电压现象,过压现象会缩短超级电容器寿命,严重甚至爆炸;同样,如果电容器单体过压,则电容器单体欠压,根据超级电容能量公式,可以推断其容量浪费很大,因为它没有得到充分利用。因此超级电容在应用过程中都需要引入电压均衡技术,以保证超级电容的可靠性和使用效率。
超级电容等效模型
以下是超级电容的简化模型: 包括理想的电容器C、等效串联电阻ESR、等效并联电阻EPR。 C与超级电容器相似的电容值;ESR一般与超级电容器的热耗散和响应速度有关ESR都比较小,是毫欧级,比传统电容器小ESR要大些,因此交流特性不太行,所以超级电容也不会应用在滤波电路当中,同样一般也不考虑其交流特性;ERP与超级电容自放电现象有关,因此超级电容充满电后,在静态条件下也会有能量损失,电会慢慢发光,一般EPR都比较大,所以自放电速度还是比较慢的。这三个参数主要影响超级电容充放电特性。
容值差对电压分布的影响
一般超级电容出厂时会有一定的偏差值,比如-10%~不同单体的最大偏差为30%.3/0.9=1.44.我们看以下公式: 假设充电电流是恒定的,两个超级电容串联充电,C1容值为1F,C2容值为1.44F,同时,有: 也就是C当1充满额定电压时,C此时,额定电压的69%充电,C2的容量浪费很大。如果继续充电,那么C超过额定电压会影响超级电容的可靠性。
EPR影响电压分布
从上面的等效电路可以看出,因为EPR存在会导致漏电流,使其在静态状态下降低电压。超级电容器充满电的时间也会延长。也就是说,无论在什么状态下,都会有损失。
ESR影响电压分布
由于超级电容器在使用时经常使用大电流充放电,因此ESR会有很大的分压。在充电开始时,由于C电压不能突变,近似为短路,所以电容初始电压分布由ESR决定;在充电过程中,ESR上分的电压越大,所以ESR大电容会先于ESR小电容结束充电过程(通过电压检测充电,ESR大的会更快到达门限电压);充电后,由于电流消失,ESR上的分压也消失,会导致超电容降压;同样,放电时,ESR部分电容的电压也会分担,进一步降低超级电容的电压。 超级电容器也可以很容易地通过这个特性找到ESR。
电压均衡
根据以上分析,电压平衡技术是超级电容应用过程中必不可少的,现有的电压平衡技术主要分为被动平衡和主动平衡两类。
被动均衡
被动平衡是利用电阻和半导体开关或二极管来平衡电压,通过消耗高压超级电容器单体的多余能量来保护过压。常见的有并联电阻、开关电阻、稳压管等。 以下是最简单的并联电阻均压(动态特性不是很好): Req为了平衡电阻,直接与超级电容器单体并联,模块在充电过程中也在通过Req放电电压高的单体放电速度快,起到平衡保护的作用。根据不同的充电方式(恒压充电和恒流充电可综合使用),选择Req标准也不同。
- 恒压充电 假设充电电压为U,由于超级电容模块的稳态电压基本上是基于EPR(C充满后近似断路,ESR很小)分布,增加Req之后,实际上可以理解为使用Req来替代EPR,因此Req必须选择阻值相等的电阻,并且比较EPR只有这样,并联才能导作用(一般0.01~0.1EPR)。超级电容稳态电压为ReqU/(nReq)。
- 恒流充电 假设充电电流为I,每个超级电容单体和每个超级电容单体Req形成单独的电路,当电容单体电压升高时,流经电容单体的电流下降,流经Req当电容充满时,电容电流为0,电容单体电压为0ReqI,即使所有串联电容的单个电压都被击中ReqI平衡完成。因此,平衡电阻值为Req=U(额定)/I。
主动均衡
主动平衡是将高压单体或整个模块的能量转移到其他单体上,直到所有单体电压达到平衡,一般损耗相对较低,但设计将更加复杂。DC/DC变换器平衡、飞渡平衡、专用超级电容管理芯片等。