超級電容器可以提供更多功能：更高的功率密度、更大的法拉、更長的循環(huán)壽命等等。但它們也需要更復(fù)雜的解決方案來實現(xiàn)最佳性能。許多設(shè)計考慮因素包括管理超級電容器放電、優(yōu)化超級電容器充電，以及在超級電容器模塊串聯(lián)配置的情況下，在電池之間提供有效的電壓平衡。

由于超級電容器的故障機制，正確確定其使用壽命末期的解決方案可能是一項重大挑戰(zhàn)。超級電容器比傳統(tǒng)的板級電容器復(fù)雜得多，因此了解電壓和溫度如何影響故障絕非“一刀切”公式。

例如，超級電容器的電壓放電特性可能會阻止在某些類型的應(yīng)用中使用所有可用能量。當(dāng)超級電容器在恒定功率條件下放電時，由于設(shè)備的內(nèi)部等效串聯(lián)電阻 (ESR)，電壓會非線性下降。當(dāng)超級電容器在恒定電流條件下放電時，超級電容器上的電壓會隨時間幾乎線性下降。

更高功率的放電電壓下降更快。在高電流脈沖應(yīng)用中，電阻元件會產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱，從而縮短超級電容器的使用壽命。超級電容器的壽命主要取決于電解質(zhì)的蒸發(fā)。在高溫或高電壓下工作會加速電解質(zhì)的蒸發(fā)。

超級電容器充電

超級電容器電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性炭顆粒中有許多不同大小的孔隙，等效電路模型也同樣復(fù)雜，因此充電并不是一件簡單的事情。超級電容器充電器通常需要提供高電流，并且比“等效”電池充電器的工作電壓范圍更廣。根據(jù)應(yīng)用要求，可以使用多種充電方法，包括：

· 恒定電流

· 恒定電壓

· 恒流/恒壓(CICV)

· 恒定功率

· 直接并聯(lián)連接到電池或能量收集器等能源

恒流/恒壓 (CICV) 是一種常用的控制方法。在充電周期開始時，充電裝置以恒流模式運行，為超級電容器提供恒定電流，使其電壓線性增加。超級電容器充電至目標(biāo)電壓，此時恒壓環(huán)路變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，并精確控制超級電容器充電水平保持恒定，以避免過度充電。

CICV 超級電容器充電控制

除了充電控制器之外，與超級電容器一起使用的 IC 芯片組通常提供以下幾類功能：

· 電流控制

· 平衡控制和過壓保護

· 備用電源和電壓調(diào)節(jié)

· 電池平衡控制

在實現(xiàn)超級電容器組時，許多控制器 IC 都帶有內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)、監(jiān)控和多電池平衡功能。使用超級電容器組或超級電容器組時，在購買的超級電容器組上配備平衡電路或提供主動平衡的 IC 至關(guān)重要。

電池平衡

當(dāng)超級電容器以串聯(lián)配置使用以提供更高的電壓時，電壓平衡就成為一個問題。由于單個設(shè)備的電容變化可能為 +/-20%，因此從一個設(shè)備到另一個設(shè)備的整體變化可能高達(dá) 40%，并且電容較高的設(shè)備將承受更大的電壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致工作壽命縮短。被動和主動方法都可用于電池平衡。

在被動電池平衡配置中，每個超級電容器并聯(lián)分壓電阻器。被動電池平衡效率相對較低，通常僅推薦用于超級電容器不經(jīng)常充電和放電或成本是主要考慮因素的應(yīng)用。一些設(shè)計指南建議選擇平衡電阻器來支持超級電容器預(yù)期最壞情況漏電流的 50 倍電流。

主動平衡控制可以使用運算放大器或?qū)Ｓ?IC 來實現(xiàn)。運算放大器解決方案的成本高于無源解決方案，但通常比使用專用 IC 更便宜。運算放大器和專用 IC 解決方案的收斂速度相當(dāng)。

使用專用 IC 可以為電壓平衡提供良好的解決方案。這些 IC 有多種配置，來自多家制造商，包括 Advanced Linear Devices、AMS、Analog Devices、Dialog Semiconductor、O2 Micro、ROHM、Texas Instruments 等。典型配置包括：

· 僅平衡控制

· 備用充電電流控制

· 平衡控制和過壓保護

· 平衡控制和備用電壓調(diào)節(jié)

對于電荷泵型系統(tǒng)IC，所需的外部元件只有陶瓷電容器。但是，充電電流較小。對于降壓型系統(tǒng)IC或升降壓型系統(tǒng)IC，充電電流較大，但需要外部元件，例如MOSFET、功率電感器等。