超級電容的原理及使用研究

海口經濟學院，孫雷

[摘要]超級電容作為一種新型儲能元件填補了傳統的靜電電容器和化學電源之間的空白。本文解析了超級電容的原理、特性、優缺點，分解了超級電容在復合電動車中的工作原理，概述了超級電容在國內外各范疇的使用研究。

隨著科學技術的進步，今朝的人們對生態環境保護和綠色能源的使用越來越重視，超級電容作為一種新型的儲能元件引起了人們的廣泛重視與關注。超級電容器（Super capacitor）是20世紀七八十年代發展起來的一種介于電池和傳統電容器之間的新型儲能器件，它的出現填補了傳統的靜電電容器和化學電源之間的空白。

1.超級電容的原理及分類

超級電容是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源。超級電容如果按儲能機理主要分為三類[1]：①由碳電極和電解液界面上電荷分離萌生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發生氧化還原反應而萌生可逆化學吸附的法拉第電容；③由導電聚合物作為電極而發生氧化還原反應的電容。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，結構如圖1所示。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環次數高，充電過程快，因此比較適合在電動車中使用。雙電層超級電容是懸在電解質中的兩個非活性多孔板，電壓加載到兩個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。一個超級電容單元的電容量高達幾法至數萬法[2]由于這種結構采用特殊的工藝，使其等效電阻很低，電容量很大、內阻較小，使得超級電容具有很高的尖峰電流，因此超級電容具有很高的比功率，它的功率密度是電池的50～100倍，可達到10×103W/kg左右，此特點讓超級電容非常適合使用在短時大功率的場合。

2.超級電容的特性

超級電容器使用過程中是沒有任何的化學反應，也沒有高速旋轉等機械運動；對于環境沒有污染，也沒有任何的噪聲；它的結構簡單、體積小，是非常理想的儲能設備。超級電容產品具有如下技術特性[3]：

（1）充電速度快。洋溢其額定容量的95%以上僅需10秒～10分鐘；

（2）循環壽命長。深度充放電循環可達1～50萬次，例如，北京合眾匯能公司加工的HCC250F/2.7V的超級電容器和北京集星科技公司加工的系列電容的循環壽命均在50萬次以上；

（3）能量轉換效率高。大電流能量循環效率>90%；

（4）功率密度高。可達300W/kg—50000W/kg，為蓄電池的5～10倍；

（5）原材料加工、使用、存儲及拆解過程均無污染，是理想的綠色環保電源；安全系數高，長期使用免維護；

（6）高充放電效率。由于內阻很小，所以充放電損耗也很小，具有很高的充放電效率，可達90%以上。

（7）溫度范圍寬。達-40～+70℃。超級電容器電極材料的反應速率受溫度影響不大；

（8）測試控制方便。剩余電量可通過公式E=CV2/2筆直算出，只需要測試端電壓就可以確定所儲存的能量，荷電狀態(SOC)的計算簡單準確，因此易于能量管理與控制。

3.超級電容存在的問題

超級電容使用在能量密度要求較高、工作周期較長的場合中，其存在的主要不足之處有以下幾點：

（1）比能量低。超級電容能量密度約為鉛酸蓄電池的20%左右；如果儲存相同的能量，超級電容的體積和重量要比蓄電池大很多。

（2）耐壓低。目前的超級電容耐壓遠低于一般電容，電壓約莫為1-3V，如果采用串聯辦法來驅動，則儲能系統的體積比較龐大，不利于驅動大功率設備。

（3）端電壓波動嚴重。使用超級電容過程中，它的端電壓是呈指數變化的，當超級電容釋放掉3/4D的能量后，它的端電壓將下降到原來電壓的1/2。

（4）串聯時電壓均衡問題。超級電容在加工制造過程中，存在著工藝和材質的不平均問題，同批次同規格的電容在內阻、容量等參數上存在著某些差異。因此，超級電容組件在使用時需要加有串聯均壓裝置，來提高組件的能量利用率和安全性。

4.超級電容的使用

4.1在電動車上的使用

制約現代工業發展的主要因素是環境污染問題及能源的緊缺問題，現如今汽車工業已經占據了現代工業能源消耗的大部分。因此，汽車的節能技術已成為汽車工業發展中非得要處理的一項關鍵技術。由于超級電容的優越性能，世界各國爭相研究，并越來越多地將其使用到電動車上。上萬法拉級的超級電容器可用作電動車的短時驅動電源，在車輛的起動、加速及制動能量回收等短時間、大功率的工作條件下，可分明提高電動車的動力性和經濟性，并能有效地改善蓄電池的性能。超級電容已經成為電動車電源發展的新趨勢，而超級電容與蓄電池包成的復合電源系統被認為是處理將來電動車動力問題的最佳途徑之一。

日本本田的FCX燃料電池—超級電容混合動力車，是世界上最早實現商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國的加州上市。日本尼桑公司還推出了天然氣—超級電容混合動力客車，見圖2。該車的燃油經濟性是原來傳統天然氣汽車的214倍。

瑞士的PSI研究所將儲能360Wh的超級電容組安裝在一輛48kW的燃料電池車上，超級電容以50kW的15s額定脈沖功率來協助燃料電池工作，承擔了驅動系統減速和起動時的全部瞬態功率。1996年俄羅斯的Eltran公司研制出以超級電容作電源的電動車，采用300個電容串聯，充電一次可行駛12km，時速為25km/h。美國的NASALewis研究中心研制出的混合動力客車采用超級電容作為主要的能量存儲系統；美國電燃料公司（EFC）設計開發了鋅—空氣燃料電池電動車也是使用超級電容作為輔助能源，加裝超級電容使其續馳里程提高了近25%。

我國的十一五及863電動車課題在啟動后，研發超級電容的國內公司也加大了開發力度。我國首部電容蓄能變頻驅動式無軌電車于2004年7月在上海張江投入試運行，當電車在停靠站時，它能在30S內快速充電，時速可達44km/h，可繼續提供電能。此無軌電車充足利用了超級電容比功率大和公共交通定點停車的特點。哈爾濱工業大學和巨容集團研制的超級電容電動公交車，最高速度可達20km/h，最多容納50名乘客。2010年上海世博會共投入1147輛節能與新能源汽車：超級電容車、燃料電池車、純電動車和混合動力車，園區內的新能源汽車在實際運營過程中承擔了園區內66％的運能，達到了園區內公共交通零排放，園區周邊公共交通低排放的目標。此外，上海奧威公司、北京集星公司、錦州百納電器公司和哈爾濱巨容公司都推出了自己針對HEV（混合動力裝置）或EV（電動車）的超級電容器產品。但是，國內目前對超級電容、蓄電池復合電源電動車的設計及控制，基本上還處于起步階段，國內公司加工的超級電容距國外產品還有一段差距。

4.2復合型電源電動車工作原理圖

純超級電容電動車是以超級電容作為電動車的惟一能源，此辦法結構簡單、成本低、比較實用、實現零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區域，例如在學校和幼兒園的送餐車可以采用、火車站或飛機場的牽引車可以采用、公園的游覽車和電動公交車等也可采用。而超級電容與蓄電池或者燃料電池包成復合電源系統的電動車使用更靈活，有更廣闊的使用空間。

超級電容—蓄電池復合電源系統電動車工作原理如圖3。首先，電動車在正常行駛條件下，電池通過功率變換器向電動機提供能量。在車輛輕載行駛條件下，蓄電池向超級電容充電，使超級電容具有高功率輸出能力；在車輛加速或爬坡行駛時，超級電容和蓄電池同時給電動機提供能量；當車輛制動或下坡行駛時，電動機作發電機模式，再生能量通過功率變換器為超級電容充電，倘若超級電容不能接受全部的再生能量，剩余部分則由蓄電池吸收。

4.3在UPS系統中的使用

今朝的USP（不間斷電源）系統大部分使用的是鉛蓄電池作為電能存儲裝置，如果在頻繁停電的情況下使用，電池會因為長期充電不足而硫酸鹽化，使用壽命會大大縮短。而超級電容器不會受頻繁停電的影響，它可以在短時間之內充分電。超級電容器由于它的高功率密度輸出特性，使其成為良好的應急電源。例如在煉鋼廠的高爐冷卻水過程是不準許中斷的，一旦停電，超級電容器可以立即提供很高的輸出功率啟動柴油發電機組，向高爐和水泵供電，確保高爐安全加工。

4.4在軍事系統的使用

美國軍方將超級電容器使用在裝甲運兵車、重型卡車和坦克上，Osh kosh汽車公司為美國軍方制造HEMTT LMS概念車所用的動力就是Maxwell公司加工的ProPulse混合電力推進系統，采用的是PowerCache超級電容器。PEMFC發電技術以其高效、清潔、重量輕、體積小、工作溫度低等優勢，在人防指導工程中有著極其廣闊的使用前景。但是無論采取哪種供電方式，都非得將PEMFC發電機發出的不穩定直流電變換為穩定的直流電，才能供給負載或逆變器使用。而PEMFC發電機的動態特性在發生負載突增時表現出分明的電壓瞬時跌落，使后續的DC/DC和DC/AC（直/交流轉換）發生保護而無法正常工作。采用超級電容器對PEMFC發電機的動態特性進行補償，可以去掉突增負載時的電壓跌落尖峰，從而改善了發電機的動態輸出性能，能夠為后續的直流負載和DC/AC提供穩定的直流電壓。

4.5在小功率用電設備上的使用

傳統的電池手電筒壽命有限，即使是現代的LED手電筒，洋溢電也需要數小時，電池的循環壽命很短。而使用超級電容器作為儲能元件的手電筒，充電只需90s，循環壽命可達50萬次。如果每天充放電一次，可使用約135年，這種戰術手電筒是警察和軍隊開發的。采用超級電容器作為儲能元件，確保了應急照明燈具有節電、高亮度、不間斷性和長壽命的特點。

5.結術語

超級電容作為一種儲能大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作安全可靠、無需維護保養的儲能系統，隨著超級電容器技術的發展，它將逐步取代蓄電池，使用范疇不斷拓寬，必將推動技術的進步，取得更大的經濟和社會效益。

參考文獻

[1]儲軍,陳杰,李忠學.電動車用超級電容器充放電性能的試驗研究[J].機械,2004,31(3):20-22.

[2]張慧妍.超級電容器直流儲能系統分解與控制技術的研究[D].北京:中國科學院電工研究所,2004,6.

[3]尹忠東,甄曉亞.電動車中超級電容技術的使用[J].北京:電氣時代,2011(8).

[4]曹秉剛,曹建波,李軍偉,續慧,許鵬.超級電容在電動車中的使用研究[J].西安交通大學學報,2008 (7).

[5]DOU GAL RA,GAO Lijun,L IU Shengyi. Ult racacpacitor model with automatic order selection and capaccity scaling for dynamic system simulation [J].Journal of Power Sources ,2004,126 (2):250-257.

[6]陳英放,李媛媛,鄧梅根.超級電容器的原理及使用[J].電子元件與材料,2008（4）.

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