超級電容器壽命分析

摘要:本文提出了影響超級電容器壽命的諸多因素:溫度、施加電壓、電壓均衡。提出了高溫對超級電容器壽命的影響超出預想的原因並分析了不同的封裝形式在高溫條件下的實際壽命以及壽命減半的溫度差;給出了實際電壓與壽命的相對關係;分析了不同形式的單體電壓均衡的效果。

前言

  超級電容器的高能量密度、長壽命(常溫下10年,高於蓄電池)、極長的充放電迴圈壽命(50~100萬次,遠高於蓄電池)、高能量密等優異性能而得到越來越多地應用。然而,在實際應用中可能會出現明顯低於datasheet給出的數據。特別是超級電容器串聯後組成電容器模組後,會由於超級電容器各單體在應用後會出現參數發散的現象。從而加速了電容量落後的單體電容量的衰減,最終造成超級電容器模組的壽命縮短。因此在實際應用時需要清楚影響超級電容器的各種因素,並採取措施來避免不利於超級電容器壽命的因素出現。

  影響超級電容器的因素主要有:高溫環境;施加電壓、均壓電路的俊雅特性等。

1.高溫環境對超級電容器壽命的影響

  首先看常溫壽命,超級電容器製造商在超級電容器的datasheet中均標出室溫下為10年。如果按電解電容器的溫度與壽命關係“10度法則”就會推算出在最高工作溫度(65Ω)下的壽命為5475小時,或7.6月和228天。

  然而在實際應用中,超級電容器的高溫壽命遠比推算的結果短得多。因此需要分析其原因。通過仔細對datasheet分析,會在其中遊的超級電容器製造商給出了高溫壽命,而且不同的超級電容器製造商在其datasheet中給出的高溫壽命是不同的。如某超級電容器製造商給出的超級電容器高溫壽命為1500小時,而有的超級電容器製造商則給出1000小時的高溫壽命。

  高溫壽命不同的原因是製造水準和封裝形式有關,圖1為不同超級電容器製造商的封裝形式。

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  圖中左1、左2是普通電解電容器的封裝形式,成本相對低,但是這種封裝方式的高溫壽命大約為1000小時(圖1中左1超級電容器製造商的datasheet中給出的是1000小時),採用圖1的左3封裝形式則給出的高溫壽命為1500小時。

  如果常溫下均為10年,則普通電解電容器封裝形式的常溫/高溫壽命比值為87.6倍,對應的壽命減半的溫度差ΔT為:

  公式(1)表明採用普通電解電容器封裝形式的超級電容器的壽命減半的溫度差大約為6.2℃。這樣,對應在環境溫度為50℃時對應的溫度差為15℃,為6.18℃的2.43倍,即多出來2的1.43倍,對應的實際壽命約為:

  即2694小時。而不是按10℃法則得到的11000小時左右。

  圖1左3的封裝形式的常溫/高溫壽命比值為58.4倍,對應的壽命減半的溫度差ΔT為:

  公式(3)表明採用圖1左3封裝形式的超級電容器的壽命減半的溫度差大約為5.87℃。這樣,對應在環境溫度為50℃時對應的溫度差為15℃,為5.87℃的2.56倍,即多出來2的1.56倍,對應的實際壽命約為:

  即4433.8小時。很顯然,公式(4)得結果是公式(2)的1.64倍。這樣,在環境溫度為50℃的條件下,普通電解電容器封裝形式的價格是圖1左3封裝形式價格的61%才能達到經濟平衡點。在選擇超級電容器品牌與規格時需要考慮超級電容器的高溫壽命。

2.施加電壓對超級電容器壽命的影響

  與鋁電解電容器不同,超級電容器施加電壓的壽命要比不施加電壓的壽命短。在額定電壓以下,超級電容器施加的電壓與超級電容器壽命的關係如圖2。

  很顯然,施加電壓低於額定電壓會使得超級電容器的壽命延長,而施加電壓高於額定電壓,則超級電容器的壽命將縮短,甚至壽命縮短的速度會更快。

3.均壓電路的均壓特性對超級電容器壽命的影響

  由於超級電容器的額定電壓很低,因此在實際應用中超級電容器必須採用多只甚至數十只、上百只超級電容器串聯構成超級電容器組。所帶來的問題就是由於各個單體超級電容器的電容量、漏電流的差異會使得超級電容器組中的各個單體超級電容器的實際端電壓產生差異。隨著使用時間的推移這種差異會進一步增大。因此超級電容器串聯應用必須採取均衡各個單體電壓的措施。

  最簡單的電壓均衡措施是在每個超級電容器兩端並接電阻,如圖3。

  這種均壓儘管簡單,但是均壓效果不好,同時還有比較大的損耗,如並聯100Ω電阻在端電壓為2.5V時就會產生25mA的電流0.0625W的損耗。接下來的問題是,這個25mA的均壓電流即使採用1A的充電電流,其分壓效果也是微乎其微,原因是均壓電阻上的均衡電流是各個均衡電阻的電壓差,如果電壓差僅僅為0.2V這個均衡電流也僅僅為2mA,為充電電流的1/500。因此這種均壓方式常常會因為基本上沒有均壓效果而使得超級電容器充電過程的電容量落後的單體超級電容器過電壓,這個超級電容器會由於過電壓使得壽命將短於其他單體超級電容器,這就是採用電阻電壓均衡方式的超級電容器組的使用壽命短於單體超級電容器壽命的原因。

  針對這個問題,需要採用有源電壓均衡電路。電路如圖4。

  這種電壓均衡電路等效為穩壓二極體,只不過這個並聯穩壓電路的溫度穩定性非常好,電流也很高,可以達到5A均衡電流,是圖4的2000倍!

  圖4電路的缺點是只能在限幅值以上動作,實現均壓動作,限幅值以下為靜態電流,均壓過程媒體現在整個充電過程,均壓效果受到影響。

  更有效的電壓均衡則是動態電壓均衡方式。如圖5。

  這種均壓動作可以在單體超級電容器端電壓為1.2V時開始,這樣在1.2V到2.5V或2.7V的充電過程均可以實現有效的電壓均衡。

 結論

  超級電容器的壽命首先取決於工作溫度,工作電壓越高超級電容器的壽命越短,超級電容器組各個單體超級電容器的端電壓不均衡也會影響超級電容器的壽命,有效的電壓均衡會有效的均衡超級電容器的端電壓。