超级电容器（Super Capacitor，又称电化学双电层电容器、EDLC）因其高功率密度、快速充放电、循环寿命长等特点，被广泛应用于新能源汽车、储能系统、工业电子等领域。然而，受制于单体额定电压（通常在 2.3V~2.85V 之间），在需要更高工作电压的场景中，往往需要将多个超级电容器串联。
串联虽然能提高总电压，但也引入了一个关键技术挑战——均压。均压不当会导致单体电压过高、寿命缩短甚至损坏。

二、超级电容器串联均压的基本原理

当多个超级电容器串联时，总电压为各单体电压之和：

$$V_{\text{total}} = V_1 + V_2 + \dots + V_n$$

理想情况下，充电或放电过程中，各单体电压应均匀分布。但在实际中，由于电容值差异、漏电流差异、温度差异等因素，电压分布往往不均衡，导致某些单体过压、某些单体欠压。

为避免这种不均衡，需要均压设计，可分为：

• 被动均压：通过并联电阻持续泄放电流，保持电压均衡

• 主动均压：通过均压电路动态调节各单体充放电状态，实现更高精度的电压平衡

三、影响超级电容器串联均压的主要因素

1. 电容值（Capacitance）不一致

原理

即使同一批次、同一型号的超级电容器，其实际电容值也会存在一定公差（±5%~±20%）。当充入相同的电荷量时，电容值较小的单体会获得更高的电压，电容值较大的单体则电压较低。

影响

• 电容值偏小的单体更容易在充电时超压

• 串联系统整体寿命受最弱单体限制

设计建议

• 尽量选用电容值公差小的产品（如±5%）

• 串联前进行分选，将电容值接近的单体组合使用

2. 漏电流（Leakage Current）差异

原理

超级电容器存在微小的漏电流，即使在开路状态下，也会缓慢自放电。漏电流的大小受材料、电解液、温度等影响，不同单体之间往往不完全一致。
当串联后，漏电流大的单体会电压下降更快，造成电压分布不均。

影响

• 长期静态放置时，电压不均现象加剧

• 在高温环境中，漏电流差异更明显

设计建议

• 选择漏电流低且一致性好的产品

• 高精度被动均压电阻或主动均压模块可减少影响

• 存储前进行均压充电

3. 内阻（ESR）差异

原理

等效串联电阻（ESR）决定了充放电时的电压降，ESR 较大的单体在充电时电压上升更快，在放电时电压下降更快。
长期循环中，ESR 较大的单体容易承受更高的电压应力，加速老化。

影响

• 充放电过程中瞬时电压不均衡

• 热量集中在高 ESR 单体，导致进一步劣化

设计建议

• 选用 ESR 低且一致性好的超级电容器

• 定期检测 ESR，替换老化单体

4. 温度差异

原理

超级电容器的电容值和漏电流都受温度影响。温度升高时，漏电流显著增加，ESR 通常下降；温度降低时，漏电流减少但 ESR 增加。
当串联组中存在温度梯度时，会导致漏电流和电压分布的不均衡加剧。

影响

• 高温单体自放电加快，电压下降更快

• 长期高温会加速老化，形成恶性循环

设计建议

• 保证串联组的散热均匀

• 避免局部过热（靠近功率元件或风道不畅）

• 必要时加装温度传感器，结合主动均压系统调节

5. 充放电速率与频率

原理

在高充放电倍率下，ESR 的影响更明显；在频繁的充放电循环中，单体性能差异的积累会放大电压不均现象。

影响

• 高频充放电应用（如启动电源）中不均衡问题更突出

• 高倍率放电易导致瞬时过压或欠压

设计建议

• 高频充放电场景优先使用主动均压

• 在设计中留有足够电压裕度（例如单体额定 2.7V 时，设计最高 2.5V）

6. 老化程度不一致

原理

随着使用时间增加，超级电容器的电容值会下降、漏电流上升、ESR 增加。如果串联组中某些单体提前老化，将会打破原有的电压平衡。

影响

• 系统寿命受最先老化单体限制

• 电压分布长期失衡

设计建议

• 定期检测单体参数，及时更换劣化单体

• 在维护时更换整组而非单个，确保一致性

四、均压技术的选择与优化

1. 被动均压

原理：在每个单体两端并联高阻值电阻，通过泄放电流维持电压均衡。
优点：结构简单、成本低、可靠性高
缺点：有持续功耗，均压速度慢
适用场景：低功率、长时间静态储能系统

2. 主动均压

原理：通过均压电路动态检测各单体电压，并转移能量至电压低的单体。
优点：均压精度高、速度快、效率高
缺点：电路复杂、成本高
适用场景：高功率、频繁充放电的系统（如新能源汽车、UPS）

3. 综合建议

• 对于长期静态储能，可使用高阻值被动均压

• 对于高功率循环使用，应选用主动均压或混合均压

• 均压电路应结合温度监测与故障检测

五、实例分析

某新能源汽车储能模块采用 12 只 2.7V/3000F 超级电容器串联，设计总电压 32.4V。在运行 6 个月后发现单体电压不均，最大差异 0.15V。检测发现：

• 电容值差异为 ±7%

• 漏电流最大差异 40%

• 温度梯度最大 5℃
  优化措施：

1. 更换一致性更高的超级电容器

2. 增加强制风冷，减小温度差

3. 加装主动均压模块
   结果电压差控制在 0.02V 以内，系统寿命预测提升 30% 以上。

六、结语

超级电容器串联均压是确保系统安全和寿命的关键环节。电容值、漏电流、ESR、温度差、充放电条件以及老化程度，都会对均压产生影响。在实际设计中，应从选型、匹配、温控、均压电路等方面综合考虑，并结合具体应用场景选择合适的均压方案。
随着超级电容技术与智能均压电路的发展，未来的串联系统将能够实现更高精度、更高效率的电压平衡，为高可靠性储能系统提供保障。