?？诮?jīng)濟學(xué)院，孫雷

[摘要]超級電容作為一種新型儲能元件填補了傳統(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，分析了超級電容在復(fù)合電動汽車中的工作原理，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)的進步，現(xiàn)在的人們對生態(tài)環(huán)境保護和綠色能源的應(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能器件，它的出現(xiàn)填補了傳統(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存電能的一種新型儲能裝置，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車中應(yīng)用。雙電層超級電容是懸在電解質(zhì)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(zhì)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(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，可達到10×103W/kg左右，此特點讓超級電容非常適合應(yīng)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(xué)反應(yīng)，也沒有高速旋轉(zhuǎn)等機械運動；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300W/kg—50000W/kg，為蓄電池的5～10倍；

（5）原材料生產(chǎn)、使用、存儲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；

（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90%以上。

（7）溫度范圍寬。達-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存的能量，荷電狀態(tài)(SOC)的計算簡單準(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：

（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普通電容，電壓大約為1-3V，如果采用串聯(lián)方法來驅(qū)動，則儲能系統(tǒng)的體積比較龐大，不利于驅(qū)動大功率設(shè)備。

（3）端電壓波動嚴(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)用到電動車上。上萬法拉級的超級電容器可用作電動汽車的短時驅(qū)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，可明顯提高電動汽車的動力性和經(jīng)濟性，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)被認為是解決未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(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—超級電容混合動力客車，見圖2。該車的燃油經(jīng)濟性是原來傳統(tǒng)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(xié)助燃料電池工作，承擔(dān)了驅(qū)動系統(tǒng)減速和起動時的全部瞬態(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汽車，采用300個電容串聯(lián)，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(tǒng)；美國電燃料公司（EFC）設(shè)計開發(fā)了鋅—空氣燃料電池電動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電動汽車課題在啟動后，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)動式無軌電車于2004年7月在上海張江投入試運行，當(dāng)電車在?？空緯r，它能在30S內(nèi)快速充電，時速可達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停車的特點。哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)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(qū)內(nèi)的新能源汽車在實際運營過程中承擔(dān)了園區(qū)內(nèi)66％的運能，達到了園區(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（混合動力裝置）或EV（電動汽車）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)合電源電動車的設(shè)計及控制，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，此方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、比較實用、實現(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組成復(fù)合電源系統(tǒng)的電動車應(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)電動汽車工作原理如圖3。首先，電動汽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(dāng)車輛制動或下坡行駛時，電動機作發(fā)電機模式，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(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柴油發(fā)電機組，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公司生產(chǎn)的ProPulse混合電力推進系統(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，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，才能供給負載或逆變器使用。而PEMFC發(fā)電機的動態(tài)特性在發(fā)生負載突增時表現(xiàn)出明顯的電壓瞬時跌落，使后續(xù)的DC/DC和DC/AC（直/交流轉(zhuǎn)換）發(fā)生保護而無法正常工作。采用超級電容器對PEMFC發(fā)電機的動態(tài)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(fā)電機的動態(tài)輸出性能，能夠為后續(xù)的直流負載和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，電池的循環(huán)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(huán)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(zhàn)術(shù)手電筒是警察和軍隊開發(fā)的。采用超級電容器作為儲能元件，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。

5.結(jié)術(shù)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(yǎng)的儲能系統(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，必將推動技術(shù)的進步，取得更大的經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻

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