鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：12660次 | 2018年07月13日
超級(jí)電容的工作原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)分析
超級(jí)電容器作為一種新型儲(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(jí)電容的原理、特性、優(yōu)缺點(diǎn)，分析了超級(jí)電容在復(fù)合電動(dòng)汽車(chē)中的工作原理，概述了超級(jí)電容在國(guó)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(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綠色能源的應(yīng)用越來(lái)越重視，超級(jí)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(jí)電容器(Supercapacitor)是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來(lái)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(jí)電容的原理及分類(lèi)
超級(jí)電容是一種具有超級(jí)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(jí)電容如果按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類(lèi)[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(jí)電容是靠極化電解液來(lái)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(guò)程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過(guò)程快，因此比較適合在電動(dòng)車(chē)中應(yīng)用。雙電層超級(jí)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(shì)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(jí)電容單元的電容量高達(dá)幾法至數(shù)萬(wàn)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(jí)電容具有很高的尖峰電流，因此超級(jí)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(jí)電容非常適合應(yīng)用在短時(shí)大功率的場(chǎng)合。
2.超級(jí)電容的特性
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
超級(jí)電容器使用過(guò)程中是沒(méi)有任何的化學(xué)反應(yīng)，也沒(méi)有高速旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)；對(duì)于環(huán)境沒(méi)有污染，也沒(méi)有任何的噪聲；它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，是非常理想的儲(chǔ)能設(shè)備。超級(jí)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(zhǎng)。深度充放電循環(huán)可達(dá)1～50萬(wàn)次，例如，北京合眾匯能公司生產(chǎn)的HCC250F/2.7V的超級(jí)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(wàn)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；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
(5)原材料生產(chǎn)、使用、存儲(chǔ)及拆解過(guò)程均無(wú)污染，是理想的綠色環(huán)保電源；安全系數(shù)高，長(zhǎng)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(jí)電容器電極材料的反應(yīng)速率受溫度影響不大；
(8)檢測(cè)控制方便。剩余電量可通過(guò)公式E=CV2/2直接算出，只需要檢測(cè)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(jiǎn)單準(zhǔn)確，因此易于能量管理與控制。
3.超級(jí)電容存在的問(wèn)題
超級(jí)電容應(yīng)用在能量密度要求較高、工作周期較長(zhǎng)的場(chǎng)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(jí)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(jí)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(jí)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(lái)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(jí)電容過(guò)程中，它的端電壓是呈指數(shù)變化的，當(dāng)超級(jí)電容釋放掉3/4D的能量后，它的端電壓將下降到原來(lái)電壓的1/2。
(4)串聯(lián)時(shí)電壓均衡問(wèn)題。超級(jí)電容在生產(chǎn)制造過(guò)程中，存在著工藝和材質(zhì)的不均勻問(wèn)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(jí)電容組件在使用時(shí)需要加有串聯(lián)均壓裝置，來(lái)提高組件的能量利用率和安全性。
4.超級(jí)電容的應(yīng)用
4.1在電動(dòng)車(chē)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(wèn)題及能源的緊缺問(wèn)題，現(xiàn)如今汽車(chē)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(chē)的節(jié)能技術(shù)已成為汽車(chē)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(jí)電容的優(yōu)越性能，世界各國(guó)爭(zhēng)相研究，并越來(lái)越多地將其應(yīng)用到電動(dòng)車(chē)上。上萬(wàn)法拉級(jí)的超級(jí)電容器可用作電動(dòng)汽車(chē)的短時(shí)驅(qū)動(dòng)電源，在車(chē)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(chē)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(jí)電容已經(jīng)成為電動(dòng)車(chē)電源發(fā)展的新趨勢(shì)，而超級(jí)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(lái)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力問(wèn)題的最佳途徑之一。
日本本田的FCX燃料電池—超級(jí)電容混合動(dòng)力車(chē)，是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車(chē)，該車(chē)已于2002年在日本和美國(guó)的加州上市。日本尼桑公司還推出了天然氣—超級(jí)電容混合動(dòng)力客車(chē)，見(jiàn)圖2。該車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性是原來(lái)傳統(tǒng)天然氣汽車(chē)的214倍。
瑞士的PSI研究所將儲(chǔ)能360Wh的超級(jí)電容組安裝在一輛48kW的燃料電池車(chē)上，超級(jí)電容以50kW的15s額定脈沖功率來(lái)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(jí)電容作電源的電動(dòng)汽車(chē)，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(guó)的NASALewis研究中心研制出的混合動(dòng)力客車(chē)采用超級(jí)電容作為主要的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)；美國(guó)電燃料公司(EFC)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了鋅—空氣燃料電池電動(dòng)汽車(chē)也是使用超級(jí)電容作為輔助能源，加裝超級(jí)電容使其續(xù)馳里程提高了近25%。
我國(guó)的“十一五”及“863”電動(dòng)汽車(chē)課題在啟動(dòng)后，研發(fā)超級(jí)電容的國(guó)內(nèi)公司也加大了開(kāi)發(fā)力度。我國(guó)首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無(wú)軌電車(chē)”于2004年7月在上海張江投入試運(yùn)行，當(dāng)電車(chē)在?？空緯r(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(wú)軌電車(chē)充分利用了超級(jí)電容比功率大和公共交通定點(diǎn)停車(chē)的特點(diǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級(jí)電容電動(dòng)公交車(chē)，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(chē)：超級(jí)電容車(chē)、燃料電池車(chē)、純電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)，園區(qū)內(nèi)的新能源汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)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(duì)HEV(混合動(dòng)力裝置)或EV(電動(dòng)汽車(chē))的超級(jí)電容器產(chǎn)品。但是，國(guó)內(nèi)目前對(duì)超級(jí)電容、蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)及控制，基本上還處于起步階段，國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的超級(jí)電容距國(guó)外產(chǎn)品還有一段差距。
4.2復(fù)合型電源電動(dòng)車(chē)工作原理圖
純超級(jí)電容電動(dòng)車(chē)是以超級(jí)電容作為電動(dòng)車(chē)的惟一能源，此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chē)可以采用、火車(chē)站或飛機(jī)場(chǎng)的牽引車(chē)可以采用、公園的游覽車(chē)和電動(dòng)公交車(chē)等也可采用。而超級(jí)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(chē)應(yīng)用更靈活，有更廣闊的應(yīng)用空間。
超級(jí)電容—蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)工作原理如圖3。首先，電動(dòng)汽車(chē)在正常行駛條件下，電池通過(guò)功率變換器向電動(dòng)機(jī)提供能量。在車(chē)輛輕載行駛條件下，蓄電池向超級(jí)電容充電，使超級(jí)電容具有高功率輸出能力；在車(chē)輛加速或爬坡行駛時(shí)，超級(jí)電容和蓄電池同時(shí)給電動(dòng)機(jī)提供能量；當(dāng)車(chē)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(guò)功率變換器為超級(jí)電容充電，假如超級(jí)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(zhǎng)期充電不足而硫酸鹽化，使用壽命會(huì)大大縮短。而超級(jí)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(jí)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(guò)程是不允許中斷的，一旦停電，超級(jí)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(guó)軍方將超級(jí)電容器應(yīng)用在裝甲運(yùn)兵車(chē)、重型卡車(chē)和坦克上，Oshkosh汽車(chē)公司為美國(guó)軍方制造HEMTTLMS概念車(chē)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(jí)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(wú)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(wú)法正常工作。采用超級(jí)電容器對(duì)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(jí)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(wàn)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(kāi)發(fā)的。采用超級(jí)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(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。
5.結(jié)術(shù)語(yǔ)
超級(jí)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(wú)需維護(hù)保養(yǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，隨著超級(jí)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。
