超级电容器系统设计考虑因素

超级电容器可以提供更多功能：更高的功率密度、更大的法拉、更长的循环寿命等等。但它们也需要更复杂的解决方案来实现最佳性能。许多设计考虑因素包括管理超级电容器放电、优化超级电容器充电，以及在超级电容器模块串联配置的情况下，在电池之间提供有效的电压平衡。

由于超级电容器的故障机制，正确确定其使用寿命末期的解决方案可能是一项重大挑战。超级电容器比传统的板级电容器复杂得多，因此了解电压和温度如何影响故障绝非“一刀切”公式。

例如，超级电容器的电压放电特性可能会阻止在某些类型的应用中使用所有可用能量。当超级电容器在恒定功率条件下放电时，由于设备的内部等效串联电阻 (ESR)，电压会非线性下降。当超级电容器在恒定电流条件下放电时，超级电容器上的电压会随时间几乎线性下降。

更高功率的放电电压下降更快。在高电流脉冲应用中，电阻元件会产生设备内部发热，从而缩短超级电容器的使用寿命。超级电容器的寿命主要取决于电解质的蒸发。在高温或高电压下工作会加速电解质的蒸发。

超级电容器充电

超级电容器电极结构复杂，活性炭颗粒中有许多不同大小的孔隙，等效电路模型也同样复杂，因此充电并不是一件简单的事情。超级电容器充电器通常需要提供高电流，并且比“等效”电池充电器的工作电压范围更广。根据应用要求，可以使用多种充电方法，包括：

· 恒定电流

· 恒定电压

· 恒流/恒压(CICV)

· 恒定功率

· 直接并联连接到电池或能量收集器等能源

恒流/恒压 (CICV) 是一种常用的控制方法。在充电周期开始时，充电装置以恒流模式运行，为超级电容器提供恒定电流，使其电压线性增加。超级电容器充电至目标电压，此时恒压环路变为活动状态，并精确控制超级电容器充电水平保持恒定，以避免过度充电。

CICV 超级电容器充电控制

除了充电控制器之外，与超级电容器一起使用的 IC 芯片组通常提供以下几类功能：

· 电流控制

· 平衡控制和过压保护

· 备用电源和电压调节

· 电池平衡控制

在实现超级电容器组时，许多控制器 IC 都带有内置电压调节、监控和多电池平衡功能。使用超级电容器组或超级电容器组时，在购买的超级电容器组上配备平衡电路或提供主动平衡的 IC 至关重要。

电池平衡

当超级电容器以串联配置使用以提供更高的电压时，电压平衡就成为一个问题。由于单个设备的电容变化可能为 +/-20%，因此从一个设备到另一个设备的整体变化可能高达 40%，并且电容较高的设备将承受更大的电压应力，从而导致工作寿命缩短。被动和主动方法都可用于电池平衡。

在被动电池平衡配置中，每个超级电容器并联分压电阻器。被动电池平衡效率相对较低，通常仅推荐用于超级电容器不经常充电和放电或成本是主要考虑因素的应用。一些设计指南建议选择平衡电阻器来支持超级电容器预期最坏情况漏电流的 50 倍电流。

主动平衡控制可以使用运算放大器或专用 IC 来实现。运算放大器解决方案的成本高于无源解决方案，但通常比使用专用 IC 更便宜。运算放大器和专用 IC 解决方案的收敛速度相当。

使用专用 IC 可以为电压平衡提供良好的解决方案。这些 IC 有多种配置，来自多家制造商，包括 Advanced Linear Devices、AMS、Analog Devices、Dialog Semiconductor、O2 Micro、ROHM、Texas Instruments 等。典型配置包括：

· 仅平衡控制

· 备用充电电流控制

· 平衡控制和过压保护

· 平衡控制和备用电压调节

对于电荷泵型系统IC，所需的外部元件只有陶瓷电容器。但是，充电电流较小。对于降压型系统IC或升降压型系统IC，充电电流较大，但需要外部元件，例如MOSFET、功率电感器等。