超級(jí)電容通過分離正負(fù)電荷來(lái)儲(chǔ)存能量，是物理方法儲(chǔ)能，電池是用化學(xué)反應(yīng)的方法來(lái)儲(chǔ)能，所以電池的反應(yīng)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，超級(jí)電容容量大，充放電速度快，而且充放電循環(huán)可達(dá)百萬(wàn)次，非常適合用作備用電源和提供峰值功率。

超級(jí)電容工作原理

超級(jí)電容可以用做后備電源，類似于UPS，在系統(tǒng)突然斷電后，負(fù)責(zé)在極短時(shí)間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量。在這種應(yīng)用中，需要后備電源有快速的啟動(dòng)時(shí)間。由于超級(jí)電容是物理反應(yīng)的方式儲(chǔ)存電能，充放電速度快，相對(duì)電池有著更為快速的響應(yīng)時(shí)間。

 
圖1：超級(jí)電容用作備用電源示意圖

電池的充放電大概在1小時(shí)到10個(gè)小時(shí)左右，而傳統(tǒng)用于濾波的電容，充放電在0.03秒，超級(jí)電容充放電在1秒左右，基本上是從0.1秒到10秒，這個(gè)時(shí)間正好是汽車、吊車剎車或啟動(dòng)的時(shí)間，其他設(shè)備比如風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)輪機(jī)變槳的時(shí)候要提供能量也是在這個(gè)時(shí)間段。

在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪機(jī)變槳時(shí)、機(jī)車、電動(dòng)機(jī)、汽車、吊車啟動(dòng)時(shí)需要的能量遠(yuǎn)大于其正常工作時(shí)需要的能量，超級(jí)電容可以輔助電池、發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)提供峰值功率，從而減輕電池或發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)。沒有超級(jí)電容時(shí)，在負(fù)載啟動(dòng)、維持運(yùn)行和終止的過程中，能量全部由電池或發(fā)動(dòng)機(jī)供給。如果加入了超級(jí)電容，負(fù)載啟動(dòng)時(shí)需要的峰值功率可以由超級(jí)電容承擔(dān)。 

 
圖2：超級(jí)電容提供峰值功率示意圖

在機(jī)車、電動(dòng)機(jī)、汽車、吊車剎車時(shí)，超級(jí)電容可以重新捕獲能量。這樣，加入了超級(jí)電容做輔助電源，可以提高能量利用效率，延長(zhǎng)電池或發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。同時(shí)相對(duì)于沒有超級(jí)電容的動(dòng)力系統(tǒng)，電池或發(fā)動(dòng)機(jī)不需要提供峰值功率，因而尺寸可以更小。下圖是超級(jí)電容輔助電池、發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式示意圖。

圖3：沒有超級(jí)電容的動(dòng)力系統(tǒng)工作模式
 
圖4：超級(jí)電容用作輔助電源的動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

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超級(jí)電容提供峰值功率的應(yīng)用案例

集裝箱龍門吊車使用柴油機(jī)做動(dòng)力，當(dāng)龍門下來(lái)的時(shí)候有一個(gè)動(dòng)能，通常是通過剎車電阻耗散動(dòng)能，剎車電阻是個(gè)耗能電阻，把電變成熱耗散掉。如果使用了超級(jí)電容，剎車的動(dòng)能可以轉(zhuǎn)換成電能，通過一定的電路充電到超級(jí)電容里面去，反過來(lái)當(dāng)龍門上升的時(shí)候通過一定的逆行電路把超級(jí)電容的能量反饋到電機(jī)里面。

由于使用了超級(jí)電容提供峰值功率，柴油機(jī)只需要提供維持運(yùn)行的較小的功率，因而柴油機(jī)的尺寸可以減小一半，同時(shí)節(jié)省了成本。類似的應(yīng)用還包括叉車、混合動(dòng)力汽車、輕軌或地鐵。

圖5：超級(jí)電容用在集裝箱龍門吊車上面

自動(dòng)抄表系統(tǒng)抄表時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送需要非常大的能量，超級(jí)電容能夠提供大的能量。下圖是Maxwell超級(jí)電容在智能電表上的應(yīng)用，超級(jí)電容取代鋰離子電池，壽命可以延長(zhǎng)一倍，占版面積比鋰離子電池小。在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的水表和氣表中，超級(jí)電容配合電池，延長(zhǎng)使用壽命。

 
圖6：超級(jí)電容在智能電表中替代電池

選擇合適的超級(jí)電容

超級(jí)電容的選型和數(shù)量配置需要根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)判斷，選擇要素包括最大和最小工作電壓、平均電流、平均功率、峰值電流、峰值功率、工作環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)間、壽命。

超級(jí)電容的額定電壓用VR表示，通過最大工作電壓（Vmax）可以算出需要串聯(lián)的超級(jí)電容的數(shù)量。計(jì)算公式為：

 


接下來(lái)，根據(jù)平均電流（I，單位為安培）、運(yùn)行時(shí)間（dt，單位為秒）、最小工作電壓（Vmin），通過下面公式，就能計(jì)算出系統(tǒng)所需要的電容容值的近似值。
 



系統(tǒng)電容值與串聯(lián)的每個(gè)電容之間的關(guān)系用下面的公式表示：

 


如果使用相同容值的電容，那么公式可以簡(jiǎn)化為： 。根據(jù)這個(gè)計(jì)算值，對(duì)照產(chǎn)品規(guī)格表，可以找出合適的產(chǎn)品。

如果各個(gè)電容之間是并聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)電容值與單個(gè)電容之間的容值關(guān)系式為：

 
除此之外，其他需要考慮的因素有，電容的內(nèi)阻與瞬時(shí)電壓降有關(guān)，工作環(huán)境溫度會(huì)影響電容內(nèi)阻和壽命。