超级电容(EDLC)技术指南连载(四):村田超级电容的电气特性

5.1. 公称容量

村田的超级电容中有220Mf~1,000mF范围的公称容量产品。将这些容量定义为在100mA的恒定电流放电间的电压下降速度(图21)。首先,超级电容达到额定电压之前,以500mA进行充电,持续30分钟。然后以100mAI=0.1A)进行放电。

村田的超级电容容量使用以下公式,用V1V2 的时间计算得出。V1V2 分别是额定电压的80%40%的值。

图21  容量的测量

5.2. ESR

如第4节所示,村田的超级电容的等价串联阻抗(ESR)的范围是40mΩ~300mΩ。使用阻抗计用1kHZ的交流法测量ESR(图22)。测量电流为10mArms,不施加偏置电压进行测量。

图22  ESR的测量

5.3. 恒定电流放电

超级电容通过一定的电流放电时,随着时间的流逝电压几乎呈直线下降趋势(图23)。

因为超级电容内部阻抗(ESR),放电开始后,可以看到初始电压下降(∆V ≈ I*ESR)。放电电流越大初始电压下降越大。此外,在ESR高的超级电容中,初始电压下降变大。

初始电压下降后,随着时间的流逝超级电容的电压也下降。下降的速度由电流值和静电容量值决定(∆V/∆t ≈ I/C)。电流值越高或者容量值越低,电压下降会更快。但是,∆V/∆t ≈ I/C是理想的关系(参照图8的左图)。非常高的电流和非常低的电流放电时,下降速度无法用这个关系式表达。原因是多个超级电容并联连接的C构成的等价电路构造(参照图8的右图)。

图24和图25所示是恒定电流放电实际的超级电容的动态图。超级电容可进行高达10A的放电。

图23  超级电容的恒定电流放电

图24  恒定电流放电(品名: DMT334R2S474M3DTA0 、4.2V的放电 @25°C)

图25  恒定电流(品名:DMF3Z5R5H474M3DTA0 、5.5 V的放电 @25°C)

5.4. 恒定输出放电

超级电容以固定输出放电时,随着时间的流逝电压降低(图26)。由于超级电容的低内部阻抗(ESR),放电开始后即可以发现初始电压下降(∆V ≈ P*ESR/Vc)。放电输出越大,初始电压下降越大。此外,ESR高的超级电容中,初始电压下降也变大。初始电压下降后,随着时间的流逝超级电容的电压也降低。电压降低的速度由放电输出、静电容量值以及每个时刻的电压级决定dv/dt = P/CVn)。放电输出越高或者容量值越低,电压降低越快。此外,时间和电压级下降,所以伴随着时间流逝电压下降速度增快(图26)。但是dv/dt = P/CVn 是理想的关系(参照图8左图)。以非常大的输出和非常小的输出放电时,电压降低速度不能用这个关系式表示。 原因是超级电容是由多个并联连接的C构成的复杂等价电路构造。(参照图8右图)

恒定输出放电时超级电容的实际状态如图27、图28所示。在30W以上的状态下可以放电。

图26 超级电容的恒定输出放电

图27  恒定输出放电(品名:DMT334R2S474M3DTA0 、4.2 V的放电 @25°C)

图28  恒定输出放电(品名:DMF3Z5R5H474M3DTA0 、5.5 V的放电 @25°C)

5.5. 容量、ESR、厚度的温度依存性

村田的超级电容的容量、ESR、厚度与温度的依存性(图29、图30)。

DMT334R2S474M3DTA0时,容量值在低温状态下减少,低于-40°C的状态下比25°C时减少70%。这与DMT系列在低温状态下内部阻抗特别高,在电极表面的深孔离子很难放电有关系(图8)。也就是说低温状态下不能进行100%负荷放电。ESR也会随着温度变化而变化。随着温度升高降低,随着温度降低增加。低于85℃的状态下是25℃时候值的一半,另一方面低于-40°C状态下是25℃时候值的9倍。这是由于电解液的粘性阻抗的温度依存性。另一方面,无论是低温状态下还是高温状态下厚度几乎没有发生变化。ESR则会随着温度降低而增加,-40°C状态下的值是25°C时候的2.5倍。这也是由于电解液的粘性阻抗的温度特性。高温下厚度增加,70℃状态下,与室内温度下相比,增加了0.25mm,虽然很少但确有增加。

图29 DMT334R2S474M3DTA0的温度依存性

图30  DMF3Z5R5H474M3DTA0的温度依存性

5.6. 充电电流和漏电流

超级电容显示充电时电流的特性工作状态。电容和超级电容充电时理想的工作状态如图31和图32所示。

理想的电容时,随着时间的流逝充电电流急速下降,短时间内充电完成。充电完成后,存在漏电流。

一方面,超级电容如1.3所示,活性炭电极表面有各种大的孔,是复杂的等价电路(图8,图32)。多个并联连接的C和串联连接的R对充电电流有影响。一般电极表面浅的孔上有小的CR,所以在非常短的时间内大电流流入。另一方面,电极表面深的孔上有大的CR,所以微弱的电流要花费很长时间才能流入。因此,超级电容完全充电要花费很长时间,通过微弱电流慢慢充电。

大多用途中,无需考虑这种微弱的充电电流,像能量收集这种低输出的充电用途上使用超级电容时,则需要考虑。

村田超级电容的实际充电电流状态如图33和图34所示。在数百个小时内都能看到微弱的电流。实际的漏电流是1 uA

图31  理想电容的充电电流

图32  超级电容的充电电流

图33 DMT334R2S474M3DTA0的充电电流(4.2 V 25°C, n=10)

图34  DMF3Z5R5H474M3DTA0の的充电电流(5.5 V 25°C, n=10)