海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院，孫雷

[摘要]超級電容作為一種新型儲(chǔ)能元件填補(bǔ)了傳統(tǒng)的靜電電容器和化學(xué)電源之間的空白。本文介紹了超級電容的原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)，分析了超級電容在復(fù)合電動(dòng)汽車中的工作原理，概述了超級電容在國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的人們對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色能源的應(yīng)用越來越重視，超級電容作為一種新型的儲(chǔ)能元件引起了人們的廣泛重視與關(guān)注。超級電容器（Super capacitor）是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，它的出現(xiàn)填補(bǔ)了傳統(tǒng)的靜電電容器和化學(xué)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(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源。超級電容如果按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類[1]：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)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(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容；③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電容。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲(chǔ)存電能的一種新型儲(chǔ)能裝置，結(jié)構(gòu)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(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動(dòng)車中應(yīng)用。雙電層超級電容是懸在電解質(zhì)中的兩個(gè)非活性多孔板，電壓加載到兩個(gè)板上。加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個(gè)雙電層電容器。一個(gè)超級電容單元的電容量高達(dá)幾法至數(shù)萬法[2]由于這種結(jié)構(gòu)采用特殊的工藝，使其等效電阻很低，電容量很大、內(nèi)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(dá)到10×103W/kg左右，此特點(diǎn)讓超級電容非常適合應(yīng)用在短時(shí)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(xué)反應(yīng)，也沒有高速旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)；對于環(huán)境沒有污染，也沒有任何的噪聲；它的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，是非常理想的儲(chǔ)能設(shè)備。超級電容產(chǎn)品具有如下技術(shù)特性[3]：

（1）充電速度快。充滿其額定容量的95%以上僅需10秒～10分鐘；

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

（3）能量轉(zhuǎn)換效率高。大電流能量循環(huán)效率>90%；

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

（5）原材料生產(chǎn)、使用、存儲(chǔ)及拆解過程均無污染，是理想的綠色環(huán)保電源；安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)；

（6）高充放電效率。由于內(nèi)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(dá)90%以上。

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

（8）檢測控制方便。剩余電量可通過公式E=CV2/2直接算出，只需要檢測端電壓就可以確定所儲(chǔ)存的能量，荷電狀態(tài)(SOC)的計(jì)算簡單準(zhǔn)確，因此易于能量管理與控制。

3.超級電容存在的問題

超級電容應(yīng)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(diǎn)：

（1）比能量低。超級電容能量密度約為鉛酸電池的20%左右；如果儲(chǔ)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(yuǎn)低于普通電容，電壓大約為1-3V，如果采用串聯(lián)方法來驅(qū)動(dòng)，則儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積比較龐大，不利于驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備。

（3）端電壓波動(dòng)嚴(yán)重。使用超級電容過程中，它的端電壓是呈指數(shù)變化的，當(dāng)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(lián)時(shí)電壓均衡問題。超級電容在生產(chǎn)制造過程中，存在著工藝和材質(zhì)的不均勻問題，同批次同規(guī)格的電容在內(nèi)阻、容量等參數(shù)上存在著某些差異。因此，超級電容組件在使用時(shí)需要加有串聯(lián)均壓裝置，來提高組件的能量利用率和安全性。

4.超級電容的應(yīng)用

4.1在電動(dòng)車上的應(yīng)用

制約現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的主要因素是環(huán)境污染問題及能源的緊缺問題，現(xiàn)如今汽車工業(yè)已經(jīng)占據(jù)了現(xiàn)代工業(yè)能源消耗的大部分。因此，汽車的節(jié)能技術(shù)已成為汽車工業(yè)發(fā)展中必須要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于超級電容的優(yōu)越性能，世界各國爭相研究，并越來越多地將其應(yīng)用到電動(dòng)車上。上萬法拉級的超級電容器可用作電動(dòng)汽車的短時(shí)驅(qū)動(dòng)電源，在車輛的起動(dòng)、加速及制動(dòng)能量回收等短時(shí)間、大功率的工作條件下，可明顯提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并能有效地改善蓄電池的性能。超級電容已經(jīng)成為電動(dòng)車電源發(fā)展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動(dòng)車動(dòng)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(dòng)力車，是世界上最早實(shí)現(xiàn)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(dòng)力客車，見圖2。該車的燃油經(jīng)濟(jì)性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的214倍。

瑞士的PSI研究所將儲(chǔ)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(xié)助燃料電池工作，承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速和起動(dòng)時(shí)的全部瞬態(tài)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(dòng)汽車，采用300個(gè)電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時(shí)速為25km/h。美國的NASALewis研究中心研制出的混合動(dòng)力客車采用超級電容作為主要的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)；美國電燃料公司（EFC）設(shè)計(jì)開發(fā)了鋅—空氣燃料電池電動(dòng)汽車也是使用超級電容作為輔助能源，加裝超級電容使其續(xù)馳里程提高了近25%。

我國的十一五及863電動(dòng)汽車課題在啟動(dòng)后，研發(fā)超級電容的國內(nèi)公司也加大了開發(fā)力度。我國首部電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無軌電車于2004年7月在上海張江投入試運(yùn)行，當(dāng)電車在停靠站時(shí)，它能在30S內(nèi)快速充電，時(shí)速可達(dá)44km/h，可持續(xù)提供電能。此無軌電車充分利用了超級電容比功率大和公共交通定點(diǎn)停車的特點(diǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級電容電動(dòng)公交車，最高速度可達(dá)20km/h，最多容納50名乘客。2010年上海世博會(huì)共投入1147輛節(jié)能與新能源汽車：超級電容車、燃料電池車、純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車，園區(qū)內(nèi)的新能源汽車在實(shí)際運(yùn)營過程中承擔(dān)了園區(qū)內(nèi)66％的運(yùn)能，達(dá)到了園區(qū)內(nèi)公共交通零排放，園區(qū)周邊公共交通低排放的目標(biāo)。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(dòng)力裝置）或EV（電動(dòng)汽車）的超級電容器產(chǎn)品。但是，國內(nèi)目前對超級電容、蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車的設(shè)計(jì)及控制，基本上還處于起步階段，國內(nèi)公司生產(chǎn)的超級電容距國外產(chǎn)品還有一段差距。

4.2復(fù)合型電源電動(dòng)車工作原理圖

純超級電容電動(dòng)車是以超級電容作為電動(dòng)車的惟一能源，此方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、比較實(shí)用、實(shí)現(xiàn)零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區(qū)域，例如在學(xué)校和幼兒園的送餐車可以采用、火車站或飛機(jī)場的牽引車可以采用、公園的游覽車和電動(dòng)公交車等也可采用。而超級電容與蓄電池或者燃料電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)的電動(dòng)車應(yīng)用更靈活，有更廣闊的應(yīng)用空間。

超級電容—蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)電動(dòng)汽車工作原理如圖3。首先，電動(dòng)汽車在正常行駛條件下，電池通過功率變換器向電動(dòng)機(jī)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(shí)，超級電容和蓄電池同時(shí)給電動(dòng)機(jī)提供能量；當(dāng)車輛制動(dòng)或下坡行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)模式，再生能量通過功率變換器為超級電容充電，假如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(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在的USP（不間斷電源）系統(tǒng)大部分使用的是鉛蓄電池作為電能存儲(chǔ)裝置，如果在頻繁停電的情況下使用，電池會(huì)因?yàn)殚L期充電不足而硫酸鹽化，使用壽命會(huì)大大縮短。而超級電容器不會(huì)受頻繁停電的影響，它可以在短時(shí)間之內(nèi)充足電。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(yīng)急電源。例如在煉鋼廠的高爐冷卻水過程是不允許中斷的，一旦停電，超級電容器可以立即提供很高的輸出功率啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，向高爐和水泵供電，確保高爐安全生產(chǎn)。

4.4在特種系統(tǒng)的應(yīng)用

美國軍方將超級電容器應(yīng)用在裝甲運(yùn)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(dòng)力就是Maxwell公司生產(chǎn)的ProPulse混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，采用的是PowerCache超級電容器。PEMFC發(fā)電技術(shù)以其高效、清潔、重量輕、體積小、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，在人防指揮工程中有著極其廣闊的應(yīng)用前景。但是無論采取哪種供電方式，都必須將PEMFC發(fā)電機(jī)發(fā)出的不穩(wěn)定直流電變換為穩(wěn)定的直流電，才能供給負(fù)載或逆變器使用。而PEMFC發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性在發(fā)生負(fù)載突增時(shí)表現(xiàn)出明顯的電壓瞬時(shí)跌落，使后續(xù)的DC/DC和DC/AC（直/交流轉(zhuǎn)換）發(fā)生保護(hù)而無法正常工作。采用超級電容器對PEMFC發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行補(bǔ)償，可以去掉突增負(fù)載時(shí)的電壓跌落尖峰，從而改善了發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出性能，能夠?yàn)楹罄m(xù)的直流負(fù)載和DC/AC提供穩(wěn)定的直流電壓。

4.5在小功率用電設(shè)備上的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電池手電筒壽命有限，即使是現(xiàn)代的LED手電筒，充滿電也需要數(shù)小時(shí)，電池的循環(huán)壽命很短。而使用超級電容器作為儲(chǔ)能元件的手電筒，充電只需90s，循環(huán)壽命可達(dá)50萬次。如果每天充放電一次，可使用約135年，這種戰(zhàn)術(shù)手電筒是警察和軍隊(duì)開發(fā)的。采用超級電容器作為儲(chǔ)能元件，確保了應(yīng)急照明燈具有節(jié)電、高亮度、不間斷性和長壽命的特點(diǎn)。

5.結(jié)術(shù)語

超級電容作為一種儲(chǔ)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(hù)保養(yǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，隨著超級電容器技術(shù)的發(fā)展，它將逐步取代蓄電池，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，必將推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，取得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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