【山东精工-技术讲堂】超级电容器选型介绍

上一期介绍了超级电容器的基础理论，不过估计大家还是会有 “原理懂了，但选产品还是一头雾水”的情况。

其实超级电容器选型没那么复杂，核心就抓 3 件事：性能参数、产品种类、场景匹配。

今天给大家仔细捋捋，帮你把这些关键知识点掰明白，新手也能轻松上手～

01

超级电容器性能参数

1.容量

电容的大小决定了器件容纳电荷的能力大小。

相同的两个单只电容若是放电电压小于单只的额定电压，在相同的电压窗口下单只放电时间是模组的二倍。

串联电容容量

这里可以得到结论，单只电容与使用同种单只的串联组合电容充到额定电压所用的时间相同。

2.能量

超级电容器存储能量的大小

示例：

需要一款电容代替一个20mAH的电池（电压3V），客户需要电容在5~2V之间工作。

3.脉冲（峰值）电流：

t为脉冲（峰值）电流持续的时间。

4.电压

超级电容器的电压与使用的电解液的种类有关。

施加超过使用电压的电压不仅会缩短使用寿命，还会因电化学反应造成气体发生量增加，漏液，破裂等致命故障。

5.极性

超级电容器采用对称电极设计，当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了。如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。

6.漏电流

超级电容器在特定电压下保持“已充电”状态下所需的电流量称为“漏电流”。充电电流随着时间的推移而减小，并且随着时间的推移变得稳定，最后其稳态电流就是“漏电流”。

7.搁置电压

充电电源与超级电容器断开后，由于其高内阻而开始失去电荷，这被称为自放电特性。在无负载条件的一段时间后，充电电容器中的电压降。

8.高低温

将产品放入达到设定温度的高低温试验箱，搁置4h后，在设定温度下测试内阻和容量，充放电循环5周去掉最大最小值后取平均值，测试工步中增加恒压工步恒压30min。高低温主要受到电解液的影响。

备注：下图（不同型号电解液对电容高低温性能的影响）

9.高温负载

用于评价产品在高温环境下的耐受能力，通常情况下可以使用一个已知高温负载数据，推算其他温度与电压下产品的性能。

5.寿命估算

超级电容器的使用温度越低，使用电压越低，产品的寿命越长。

02

超级电容器种类

1.扣式超级电容器

扣式超级电容器通常以金属外壳封装，具有正负极引脚，工作电压范围常见于2.7V至5.5V，电容值从微法级到法拉级不等。其核心优势在于能承受频繁的充放电循环，且自放电率较低，适合替代传统纽扣电池在低功耗设备中使用。

1.1

引脚

扣式超级电容器常规的引脚是V/H/C三种规格，还有一种不常见的规格是T型，详见下图。

1.2

工作温度

常规款扣式超级电容器的工作温度范围为-40°C~70°C，可充分满足消费电子、工业控制等绝大多数常规应用场景的需求。

若需适配更高温的工作环境，可通过更换高温专用电解液提升产品耐热性。采用该方案制备的超级电容器，高温耐受度可提升至85°C，但受电解液特性限制，低温工作区间会相应调整为-20°C~85°C。

针对高海拔、寒区户外、车载等恶劣复杂工况，我们还推出了一款高低温兼顾的特殊款扣式超级电容器。该产品采用创新三层结构设计，额定电压 5.5V可实现 -40°C~85°C 的宽温稳定运行，完美解决极端环境下的储能需求。

1.3

漏电流与自放电

自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流;当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。 为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。

以5.5V 0.47F V/H 超级电容器为例：

①将待测超级电容器进行充分放电至0.1V以下；②以额定电压5.0 V进行充电；③待充至额定电压后记录0.5h、1h、2h、24 h、48h、72 h时刻的漏电流值。

1.4

低功耗首选

扣式超级电容器的漏电流/自放电很小，且容量越小，漏电流越小。所以在实际应用中，超级电容器选型不是容量越大越好，还得结合参考漏电流参数。

而圆柱形超级电容器的漏电流相对纽扣型的更大一些，虽然容量一般也都比纽扣的大，但是如果是用作长时间的断电保护，圆柱形的超容自放电更大，会更早的结束工作。

超级电容器常用于单片机/主板的时钟芯片断电保护。

以某单片机应用为例：

工作电压范围：5.0V-2.0V，RTC时钟芯片工作电流＜1μA，要求断电后超级电容器维持RTC工作5天，算上超级电容器功耗约3μA。理论上可以推荐5.5V 0.44F超级电容器。

扣式超级电容器对比纽扣电池优势：

①快充快放，无需维护，可以维持低功耗（μA级放电）设备工作数天。

②寿命长，10年以上，＞50万次循环，；

③宽温：-40°C~70°C

④可航运，安全，无污染

2.圆柱形超级电容器

柱式超级电容器

2.1

引脚

（山东精工）圆柱形超级电容器常规的引脚有：

导针（上上图）、牛角（下图右）、焊片（下图左）。

一般100F以下做成导针，100~200F引脚是牛角型，200F以上我们一般是做成焊片式。

2.2

工作温度

圆柱形的超级电容器工作温度一般是-40°C~65°C，在有一些降压使用的情况，高温可以达到85°C。

比如说3V的产品，在2.3V工作，高温可以满足85°C 1000h（2.3V@85°C 1000h）.

2.3

大电流放电首选--柱式超级电容器

超级电容器最早的应用之一是作为主电池的备用电源，用于弥补短暂的电源中断或平滑电流。

目前，超级电容器仍被广泛应用于不间断电源（UPS）、无线报警系统、 智能仪表，等。 超级电容器还广泛用于脉冲应用、遥测、峰值功率辅助和电子锁中的供电。

此外，许多工程师采用超级电容器技术作为在停电期间启动备用发电机并提供电力直到切换达到全速的最佳方式。

3.超级电容器模组

超容模组，全称超级电容器模组，是将多个超级电容器单体通过串联或并联方式集成的模块化储能单元。

它以超级电容器的“高功率密度、长循环寿命”为基础，通过模块化设计解决了单体容量有限、电压适配性差的问题，同时结合锂电池的“高能量密度”优势，成为平衡传统储能技术矛盾的关键方案。

03

超级电容器选型

1.什么时候需要超级电容？

当设备或系统满足以下任一需求时，超级电容器将是最优选择：

①需要瞬间大电流放电

适用于对瞬时功率要求高的场景，例如需输出 0.5A 以上电流的 USB 供电设备、闪光灯、电动工具等，可快速释放能量以满足峰值功率需求。

②追求免维护、长寿命免更换

替代电池，无需定期更换，适配无人值守或维护成本高的场景，例如太阳能道钉灯、地埋灯、智能水 / 电 / 气表等。

③要求超快速充电

可在极短时间内完成充电，满足高频次充放需求，例如警卫手电筒、玩具、电动工具等，大幅缩短充电等待时长。

④需要超高充放循环次数与浮充稳定性

循环寿命可达数十万次，浮充状态下性能稳定且无需更换，例如应急灯等对可靠性要求严苛的应急储能设备。

⑤适应极端低温环境工作

可在 - 40℃的低温环境下稳定保持能量与放电性能，解决传统电池低温失效问题。例如：汽车 / 电动车冷起动、高寒地区户外设备供电。

⑥需要轻量化短时移动电源

兼具轻量化与短时高功率输出特性，适配便携短时供电场景，例如飞行玩具、小型便携式设备等。

⑦追求高安全性的储能方案

采用物理储能原理，无化学燃烧、爆炸风险，适用于对安全等级要求高的场景，例如密闭空间设备、消费电子、工业储能系统等。

2.超级电容器如何选型？

2.1

选型参数

一般给客户选型，需要让客户提供以下参数，黄色项为必填项，其他项为参考项：

1. 产品工作温度：__℃，相对湿度：__%。

2. 产品存储温度：__℃，相对湿度：__%。

3. 充电条件：□恒流充电，□恒压限流充电；充电电压__V，充电电流__mA，充电时间__s。

4. 放电条件：放电电流__mA，工作电压区间__V到__V之间，放电时间__s。

5. 脉冲电流：__mA，时间__s。

6. 产品内阻要求：__mΩ。

7. 产品漏电流要求：__mA（24h）。

8. 产品尺寸要求：给出为产品预留的长*宽*高的尺寸。

9. 客户的焊锡条件，温度__℃，时间__s，焊锡方式__。

2.2

选型依据

容量计算：

C=I*T/V

C：容量；I：电流；T：时间；V：电压

以上是本期的《超级电容器选型介绍》介绍。

下期预告：《超级电容器应用介绍》

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