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。但它們也需要更復雜的解決方案來實現(xiàn)最佳性能。許多設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用中使用所有可用能量。當超級電容器在恒定功率條件下放電時，由于設備的內(nèi)部等效串聯(lián)電阻 (ESR)，電壓會非線性下降。當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。在高電流脈沖應用中，電阻元件會產(chǎn)生設備內(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的蒸發(fā)。在高溫或高電壓下工作會加速電解質的蒸發(fā)。

超級電容器充電

超級電容器電極結構復雜，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 至關重要。

電池平衡

當超級電容器以串聯(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。由于單個設備的電容變化可能為 +/-20%，因此從一個設備到另一個設備的整體變化可能高達 40%，并且電容較高的設備將承受更大的電壓應力，從而導致工作壽命縮短。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用。一些設計指南建議選擇平衡電阻器來支持超級電容器預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專用 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。

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。