一文解析超級電容器的構造 - EDLC

　　對于當今的大多數設計團隊來說，從事空間受限的電池供電消費電子產品開發(fā)將是最具挑戰(zhàn)性的任務。除了能夠在給定的機箱尺寸內實現所需的功能外，最重要的考慮因素之一是可用功率預算。所有電子設備（例如處理器、無線連接和顯示器/UI）的可用空間之間的平衡需要與電池為所有設備供電的空間相抗衡。

　　對于某些應用程序，例如在具有相機閃光燈功能的智能手機中發(fā)現的應用程序，峰值功率負載明顯高于任何其他用例，盡管是短暫的情況。面臨此類挑戰(zhàn)的工程師可能會考慮使用超級電容器，也稱為雙電層電容器（EDLC），作為滿足峰值負載要求的一種方式。超級電容器的存儲容量是普通電解電容器的 100 倍，通?？梢栽?40 毫秒內提供高達 4 安培的電流。此類 EDLC 也是提供備用電源以適應應用程序主電源的瞬時中斷的理想候選者。固態(tài)磁盤驅動器的備用電源，內存?zhèn)浞荩?/p>

　　與陶瓷或電解對應物不同，EDLC 不使用介電層。取而代之的是電解質，可以是固體或凝膠狀物質，位于兩個電極之間（圖 1）。這種結構的最終電容與電極的表面積成正比，并且通過使用沉積在鋁箔上的動力活性炭作為電極，提供了相當高的電容值。離子吸收到電極表面和從電極表面吸收的過程產生了 EDLC 的充電和放電。

　　圖 1：超級電容器的構造 - EDLC

　　EDLC 的結構往往因制造商而異，每個制造商的特性略有不同。例如，Murata的 DMT/DMF 系列（圖 2）使用鋁層壓膜封裝，其兩面都涂有絕緣塑料層。由活性炭電極和電解質組成的夾層構成多層封裝，每片由隔板機械和電氣分離。此外，兩個電容器形成在單個“袋”封裝內，并與連接到中點的引線串聯連接，此外還有外電極。Murata 產品的一個示例是DMT334R2S47，這是一款額定工作電壓為 4.2 V DC的 470 mF 超級電容器。TDK使用了類似的方法使用其 EDLC252520 系列，例如EDLC252520-351-2F-21，350 mF 和 3.2 V DC工作電壓。

　　圖 2：村田 EDLC 封裝示例

　　相比之下，松下的 Gold 系列 EDLC 采用了幾種具有不同特性的結構形式。紐扣電池格式用于內存?zhèn)浞輵煤吞柲苁直淼妮o助電源，多個堆疊的紐扣電池排列用于工業(yè)和汽車內存?zhèn)浞輵?，并且使用更熟悉的圓柱形封裝，具有相對較低的 ESR，是用于更高電流的應用，如玩具。一個例子是EEC-S0HD334V，一個 330 mF 5.5 V DC工作電壓部件。

　　為了更好地了解 EDLC 的行為和操作，有必要考慮其等效電路模型。從一個簡單的第一視角來看，該模型如圖 3 所示。

　　圖 3：EDLC 的簡單等效電路模型

　　請注意，EDLC 內的兩個電容器單元的組合創(chuàng)建了一個進一步簡化的模型。等效電容減半，有效串聯電阻（ESR）加倍。然而，該模型沒有考慮活性炭電極的實際行為。由于這種沉積會在表面上形成不同深度的層或孔，因此離子的運動會發(fā)生變化。這樣做的結果是離子可以快速移動到表面的活性炭，但更深層次的離子需要更長的時間。表面快速接受電荷，但較深的層需要更長的時間才能完全充電。為了在等效電路模型中考慮這一點，更準確的表示（見圖 4）包含多個并聯電容器和串聯電阻。

　　圖 4：EDLC 的詳細等效電路模型

　　通常，大多數超級電容器 EDLC 器件制造商提供的器件電容值從幾百毫法拉到幾法拉不等，工作電壓通常高達 5.5 V DC。雖然它們的電容值和能量存儲能力很高，但它們的物理尺寸往往相對較薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F、5.5 WV DC部件的尺寸僅為 1.181 x 0.515 x 0.146 英寸（30.00 x 14.00 x 3.70 毫米）。

　　與鉭或鋁電容器相比，EDLC 可提供超過 100 倍的儲能能力。例如，1.5 F 6.3 V 鉭電容器可提供高達 20 mJ 的存儲能量，而 470 mF 4.2 V EDLC 可存儲 2，000 mJ 的能量?？紤]到鉭電容器在發(fā)生短路時會起火、成本高、鋁的尺寸大且生命周期有限，因此 EDLC 成為提供高峰值負載或備用電源應用的理想選擇，在這些應用中，通?？梢蕴峁?10 瓦的輸出，對于某些情況，可以提供高達 100 瓦的輸出。此外，與使用鋰紐扣電池代替 EDLC 相比，鋰電池只能提供非常低的功率。

　　為 EDLC 充電通常只需幾分鐘，具體取決于設備的有效電阻（圖 5）。由于 EDLC 具有許多小的內部電阻，因此通常不需要任何外部限流電阻器。

　　圖5：EDLC充電-內阻與時間的關系

　　圖 6 顯示了基于恒流放電的 EDLC 放電循環(huán)的一般模型。

　　圖 6：EDLC 恒流放電的典型放電曲線

　　圖 7 說明了 Murata DMF 系列 EDLC 的情況。由于內部 ESR，在放電時有一個初始電壓降，當出現較大的電流條件時，電壓降更大。EDLC 的電壓隨后開始隨時間下降。這種下降的速度取決于消耗的電流和標稱電容值。在恒功率放電的情況下，電壓和時間之間的關系不是線性的，而是基于放電功率（P）、標稱電容（C）和瞬時電壓電平 V 形成更多的曲線，計算公式為 dv/dt =個人簡歷。

　　圖 7：Murata DMF EDLC 的放電曲線

　　如前所述，有許多用例非常適合 EDLC。

　　圖 8 顯示了在基于電池的設計中使用 EDLC 作為平衡負載峰值的一種方法。當負載需求超過電池單獨可以提供的能力時，組合電源可提供額外的電力來補充電池電源輸出，從而滿足應用需求。

　　圖 8：高峰值負載均衡

　　在本文介紹中提到的用例場景中，提供 EDLC 以提供高峰值功率能力如圖 9 所示。這樣的峰值負載可能是智能手機上的相機閃光燈功能或容納電機啟動峰值負載。通過為這些功能使用 EDLC 代替使用更高額定值的電池，設計工程師能夠將整體 BOM 成本和所需空間降至最低。這在當今空間受限的消費電子設備中尤為重要。

　　圖 9：高峰值功率函數

　　EDLC 還可用于在電源不頻繁但存在穩(wěn)定負載條件的情況下存儲能量。請參見圖 10。在沒有其他可靠電源可用的情況下，使用能量收集代替電池的概念正在吸引那些為物聯網（IoT）應用開發(fā)傳感器應用的人。從太陽能電池和振動收集器等多個來源收集的能量可以輕松存儲在 EDLC 中，以保持無線傳感器應用的可靠電源。

　　圖 10：能量收集應用的能量存儲

　　最終用例是為內存應用程序（例如固態(tài)驅動器（SSD））提供臨時備用電源，如圖 11 所示。SSD 的電源中斷是一個關鍵事件。由于對緩存內存的依賴，如果電源突然發(fā)生故障，任何掛起的磁盤/緩存寫入很可能會丟失，因為不會發(fā)生正確的待機/關閉過程。為了防止數據丟失和可能損壞的磁盤分區(qū)，可以使用 EDLC 來確保關閉和/或緩存寫入過程可以無錯誤地進行。