伊顿电子是 领先的超级电容器供应商。其产品系列涵盖 数十个子系列，设计规格多样（从微型到商用车专用模块）。公司既提供采用“传统”技术制造的元件，也提供在其实验室开发的创新专利解决方案。 丰富的产品组合为电气/电子设备的设计人员和制造商提供了广泛的可能性。以下概述了 我们产品目录中提供的伊顿超级电容器，以及供应商推荐的潜在应用和设计方案。
本文涵盖以下主题：
- 不同类型超级电容器之间的建设性差异
- 伊顿系列组件及其特点
- 混合解决方案的优势
- 用于物联网设备及相关应用的超级电容器
- 专为大功率电路设计的电容器
- 超级电容器使用最佳实践
- 电源封装的平衡方法
- 超级电容器在物联网和LoRa系统中有什么用途？
- 延长电动汽车电池的使用寿命
伊顿超级电容器系列及特点
伊顿超级电容器产品的主要优势在于其 多样性。这一点体现在多个方面：产品组合涵盖了 电容值、尺寸 以及用途的组件。此外，伊顿还确保其产品具备多种特性，包括 低ESR类型、高电压额定值组件、宽温范围（-40至+85°C）等等。
基于结构特征的划分
超级电容器所用电解液的成分对其性能有显著影响。伊顿的产品可根据这些标准分为几类，包括下文所述的三类以及 混合解决方案（将在单独的章节中介绍）。
碳酸丙烯酯
碳酸丙烯酯是一种不易燃、环保的化合物，具有优异的热性能，可在-25°C至70°C的温度范围内工作，因此常用于B、HB、KR和KW等系列电容器中。这些电容器不受运输限制。但其缺点是最大充电电压相对较低，仅为2.5V。
乙腈
乙腈电解液可 显著提高电容（最高可达80%）、电压（最高可达2.7V）和 等效串联电阻（ESR）。使用这种电解液的元件可耐受更低的温度（低至-40°C）。然而，乙腈电解液遇火会释放有毒气体，因此其使用受到一些限制。乙腈电解液常用于HV、XV、XL60 2.7V、XVM和XLM等系列产品中。
伊顿专有配方
TV、XT 和 XL60 3.0V 系列超级电容器采用 专有电解液 ，可提供最佳性能。这些元件价格略高，但具有 高电容、低漏电流、低 ESR、高达 3V 的电压以及最高的功率密度。
伊顿系列概述
为了更好地了解伊顿公司种类繁多的超级电容器产品，按系列对产品进行分类会很有帮助。每个系列不仅具有独特的结构特点，而且 针对特定应用进行了优化。
标准圆柱形超级电容器
在许多电路中，例如 转换器和稳压系统，超级电容器主要因其高电容和低等效串联电阻 (ESR) 而被广泛应用。这些应用需要 采用标准圆柱形封装并配备通孔 (THT) 安装技术的元件。B 系列、HB 系列和 HV 系列是伊顿公司在该类别中最典型的产品。
B1010-2R5155-R
系列 B
HB1840-2R5606-R
HB系列
HV1325-2R7156-R
高压系列
B系列元件适用于不间断电源（UPS）、开关电源和网络系统中的电路。HB和HV系列元件具有更高的电容值（最高可达110 µF ），是要求更苛刻的应用的理想选择，例如可再生能源（太阳能）系统、功率变送器，以及由于其低漏电流和-25°C至85°C的耐温范围，也适用于燃气表、水表以及其他配备无线通信模块的测量设备或传感器。
混合技术
伊顿公司拥有专利的混合超级电容器技术采用两种电极：一种结构类似于标准电容器，另一种则类似于电池技术。这使得产品具有卓越的性能， 在最佳条件下使用寿命可达20年。
HS1016-3R8306-R
HS系列
HSL1016-3R8306-R
HSL系列
混合电容器的关键特性在于其免维护运行。与传统电池配合使用时，由于其漏电流低，可作为远程设备（传感器、仪表）的理想电源。其低等效串联电阻 (ESR )特性使其适用于需要大功率的电路，例如工业设备、医疗设备或报警系统的应急电源。
低矮型和迷你型
超级电容器是短时间或间歇性需要较高电流应用的理想额外电源。例如，物联网 (IoT) 设备就利用了这一特性，其中超级电容器可由太阳能电池、发电机或电池以小电流充电，然后用于为射频模块、信号发射器、执行器或其他高功率组件供电。
KR-5R5H224-R
KR系列
KVR-5R0V155-R
KVR系列
KW-5R5C224-R
KW系列
伊顿提供适用于物联网和实时时钟 (RTC) 备用电路的超薄电容器和纽扣电池（以及下文所述的微型元件）。这些元件工作电压为 5V 或 5.5V 直流，电容值范围为0.1F 至 1.5F 。引脚设计用于5mm 或 10mm间距的通孔(THT) 安装。
PHB-5R0V305-R
PB 和 PHB 系列
PHV-5R4H505-R
PHV系列
PHVL-3R9V505-R
PHVL系列
PM-5R0V104-R
PM系列
紧凑型超级电容器也有矩形规格，电容值 最高可达 5F。其中，PHVL 系列型号尤为值得关注，其 漏电流极低（仅 1µA） ，且工作温度范围为 -40°C 至 85°C。这些优异的性能使其成为实时时钟 (RTC) 和易失性存储器供电等应用的理想选择，也可用于 在可充电设备电源切换期间提供备用/稳定电流。
增强的电容和工作电压
XL60、XV 和 XB 系列电容器的特点是 电容值高。这些元件专为电力应用和大电流电路而设计，例如 电动汽车（EV、混合动力汽车）的再生制动模块、起动器和工业机械电路等。
XL60-2R7308T-R
XL60系列（功率1kF，2.7V）
XV3560-2R7407-R
XV系列（300…600F，2.7V）
XB3585-2R5607-R
XB系列（300…600F，2.5V）
XL60系列超级电容器拥有最高的电容值（ 2.7V直流电压下为3kF ） 。这些圆柱形超级电容器采用螺丝端子，确保极低的连接电阻，因此能够提供极高的电流。此外，它们还具有极高的效率（超过98%） 。制造商推荐它们用于要求最苛刻的应用，包括重型机械（起重机、建筑和采矿设备）以及卡车。其高电容值使其非常适合抑制电源电路中的功率波动。
TV1020-3R0605-AP
电视系列（3V，3.3…100F）
TVA1840-3R0606-R
TVA系列（3V，25…100F）
伊顿在其TV系列电容器中采用了特殊材料，实现了 最高的功率密度和电容（高达100F），同时不含任何对环境有害的物质。此外，TVA组件 符合AEC-Q200标准，这意味着它们适用于 汽车。它们尤其适用于作为独立电源，或与传统电池配合使用， 为中央门锁系统和行车记录仪供电。预计它们还将应用于 板载电路，为车辆组件（包括配备48V直流系统的新型车辆）供电。
XLR 套件
上述XL60超级电容器采用工厂预装封装，并以XLR系列品牌销售。单个模块可设计用于 16.2V、48.6V或51.3V直流 （取决于型号），电容范围为 160µF至500µF。每个封装均采用紧凑型外壳，并配备平衡电路，为元件提供过压和过热保护。这些产品适用于 货运和公共交通（公路、铁路、船舶）以及重型机械。由于XL60电容器具有高电容和卓越的性能参数，此类模块 可以替代其他类型的电源，从而降低运营成本、减少噪声并提高电源系统的稳定性。
XLR-16R2507-R
该包装包含大电流螺丝连接器和一根监听电缆。
具体功能和设计考虑
超级电容器在电路中的应用与小容量电容器的应用需要考虑类似的因素，但超级电容器还用于存储更大的能量储备，且存储时间更长。这带来了 额外的限制，在设计电路和器件时必须加以考虑。
基本包装保护
首先，电路必须确保电容器 免受反极性电压的影响，这意味着它必须包含整流二极管来控制电流。
过早降解
由于超级电容器性能优异且 电解液会发生降解 ，因此在设计阶段必须考虑 元件标称特性随时间推移因老化和使用而发生的变化 。当然，参数变化是缓慢的：对于伊顿品牌的元件，应考虑10年内的变化。因此，对于UPS电路或医疗设备等应用，建议预估电容下降20%和ESR增加1.7倍。对于工业机器控制器和电源，电容容差应设定为-30%，ESR增加一倍；而对于汽车系统（电容器承受最高强度的使用），建议预估电容下降50%，ESR增加三倍。
选择合适的电压
多种因素都会影响电容器的性能衰减，例如 工作温度；然而， 电容器的最高工作电压 影响最大。延长元件寿命最有效的方法是将电压保持 在额定值以下 （理想情况下约为额定值的 85%），并在不需要储能时（例如，机器关机后）对电容器进行放电。
热力学考量
如前所述， 高温也会影响超级电容器的寿命。在设计目标器件时，必须考虑这一现象，并从散热角度优化元件布局。这主要意味着 要使电容器远离电路中的典型热源，例如晶体管、放大器、电感器等。
电容器连接和封装平衡
由于其特性，超级电容器的工作电压相对较低（通常为 2.7V，最高可达 3V）。由于这不足以满足大多数应用的需求，因此通常将元件串联封装在一起。这里需要解决两个主要问题。首先，考虑到前文所述的热敏感性，确保元件间温度分布均匀至关重要。这可以防止任何元件过早老化，从而避免电源故障。第二个问题是封装均衡，即确保封装内电容器的充放电水平均匀。如果没有这样的系统，封装内电容器的寿命可能会缩短至初始寿命的 20% 至 50%。
平衡方法分为耗散式方法和非耗散式方法（间接和直接），前者涉及可控的能量损耗，后者则利用复杂的电压调节电路，例如稳压器或转换器。方案的选择不仅取决于延长器件寿命的需求，还取决于成本效益和制造能力等因素。这些方法的主要特点如下。
- 被动式均衡器 可将电容器寿命维持在 70% 至 90%，因此是充放电循环频率较低（至少每天一次）且环境温度稳定的系统中的首选方案。这类系统采用 电阻器或齐纳二极管，与封装内的各个电容器并联。使用二极管时，应考虑对元件进行散热。电阻器的阻值应尽可能低，但流过电阻器的电流不得超过电容器额定漏电流的 10 倍。
- 有源系统 基于 运算放大器，具有实现成本低的优点。它们适用于单个单元电容不超过 100F 的封装。伊顿公司 开发并获得了此类平衡器的专利设计 （其原理图可供感兴趣的各方免费获取），该设计针对与该公司超级电容器配合使用进行了优化。伊顿公司还提供一种适用于需要电容超过 100F 的元件的高功率封装的变体设计。
- 无损耗方法 通常需要 专用集成电路。市面上有很多此类产品，专门针对超级电容器的特性而设计。它们配备了 电压限制器 ，可以补偿环境温度并监测单个电容器的损耗（例如，通过生成 指示电容下降的信号）。此外，封装均衡也可以使用基于 升降压稳压器的。
应用示例
文中多次提及超级电容器的典型应用，这里将结合更详细的示例进行总结。这些应用可分为两类：一类是需要 高功率的 ，另一类是超级电容器用作 小型电源的电路。
高功率应用主要包括用于 短时间内收集和输送能量的。例如 ，电机启动器、不间断电源 (UPS)、电动汽车的再生制动系统以及电力设施中的临时储能电路。这些应用利用了超级电容器快速吸收和释放大能量脉冲的能力。第二类应用几乎与之相反：工作电流极低的电路（例如远程传感器），有时会保持多天不活动状态，周期性地唤醒以执行特定任务（例如 传输数据、激活伺服机构等）。在这种情况下，超级电容器充当备用 电源。
物联网通信应用
远程设备（例如现场传感器、远程抄表水表/燃气表）必须包含通信模块，以数据传输为主要功能的物联网电路也必须如此。使用蓝牙或 Wi-Fi技术时，超级电容器可能无法带来显著优势；然而，这些标准本身也存在局限性。蓝牙的传输距离较短（最多几米），而 Wi-Fi 需要电路持续以数百毫安的电流供电，这对于许多应用来说并非最佳选择。因此，人们采用了LoRa（远距离）和 NB（窄带）等替代方案。这些技术允许远距离进行周期性数据传输（例如，每天一次）。因此，传输设备大部分时间都处于睡眠模式，仅在需要收集数据（传感器读数、地理位置等）或将其发送到监控设备时才会唤醒。
在这样的项目中，将电池与超级电容器结合使用具有明显的优势：电池提供极小的能量（50 μA）来维持电路运行（甚至可以持续数年，例如在水表应用中）。同时，电容器仅为通信模块供电，从而确保 最大通信距离。这种配置具有多项优点：它可以 在极低的温度下 （超级电容器具有更宽的热耐受范围）。 降低电池负载 （通常采用单节电池或纽扣电池）可以延长其使用寿命（不仅仅是充电循环次数）。此外，如果使用例如小型光伏电池等方式补充能量，则为锂离子电池充电需要充电控制器转换器，而超级电容器的类似电路则 简单得多，损耗也更小。
延长电动汽车组件寿命
伊顿的研究设施使公司能够对电动汽车交通工具的开发进行广泛的研究。研究重点在于用电池组和超级电容器组相结合的混合动力解决方案来取代仅使用锂离子电池（或氢燃料电池）的“传统”能源系统所带来的预期效益。电池组的设计目标是高能量密度（即容量），而超级电容器组则在高功率密度方面表现出色。因此，最佳解决方案是根据电机的运行参数从这两个来源获取能量：在匀速行驶或缓慢加速时，电池提供电流；而在速度骤变时，超级电容器则提供辅助（高效地从再生制动系统中获取或存储能量） 。伊顿专家得出结论，采用混合动力系统可以将商用车辆（例如货车和叉车等多用途车辆）中电池的预期四年寿命延长一倍。此外，这将减小电池组的尺寸，从而降低车辆重量和运营成本（对于运输车辆而言，则可提高盈利能力）。
本文由Transfer Multisort Elektronik Sp. z oo提供
