超级电容器特性及其应用技术(图)

超级电容器是一种新型的贮能器件，又称双电层电容器。这种新型能源器件所能存贮的能量比传统的物理电容器大1个数量级以上，同时又具有功率密度高、充电时间短、温度特性好、使用寿命长和绿色环保等优点，在工程车辆等设备上得到了广泛应用。

1.技术原理

超级电容器通过极化电解质来储能，其基本原理是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大电容量。

传统物理电容中储存的电能来源于电荷在2块极板上的分离，2块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离，电容值C=εA/4πkd，其中A为极板面积，k为静电力常量，d为介质厚度；所储存的能量E = 1/2 C(ΔV)2 其中C为电容值，ΔV为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量，储存更多的电能，必须增大面积A或减少介质厚度d。

超级电容器采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的多孔碳电极之间充填电解质溶液，当两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正、负电子，而电解质溶液中的正、负离子由于电场作用分别聚集到与正、负极板相对的界面上，从而形成2个集电层，相当于2个电容器串联（见图1）。

超级电容器比传统的物理电容器的容值大很多，容量比可以提高100倍以上，因而具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量。

就储能而言，超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。当2个电极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器处在正常工作状态(通常在3V以下)；如果电容器二端电压超过电解液的氧化还原电极电位，则电解液将分解，处于非正常状态。随着超级电容器的放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷相应减少。由此可以看出超级电容器与利用化学反应的蓄电池不同，其充、放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能稳定。

图1

2.主要特性

(1) 电容量大

超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液的接触面积大，根据电容量的计算公式，2个极板的表面积越大，电容量就越大，因此，一般双电层电容器容量超过1 F，与普通电容器的容量范围相比跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5 000 F。

(2) 功率密度高

超级电容器的内阻很小，且在电极、溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速贮存和释放，因而输出功率密度高，是一般蓄电池的几十倍。

(3) 充放电循环寿命长

超级电容器在充、放电过程中没发生电化学反应，其循环寿命可达10万次以上。而蓄电池的充、放电循环寿命只有数百次，只有超级电容器的几十分之一。

(4) 充电时间短

超级电容器最短可在几十秒内充电完毕，最长充电不过十几分钟，而蓄电池则需要8～12 h才能充电完毕。

(5) 放电电流大

如2 700 F的超级电容器额定放电电流不低于950 A，放电峰值电流可达1 680 A，一般蓄电池通常没有如此高的放电电流。一些高放电的蓄电池，在如此高的放电电流下，使用寿命将大大缩短。

(6) 温度特性好

超级电容器可以在很宽的温度范围内正常工作(-40～70 ℃)，而蓄电池很难在高温特别是在低温环境下工作。

(7) 可靠性高

超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作少，因而可靠性非常高。

(8) 绿色环保

超级电容器的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，若采取均压措施后，还可以串联使用。#d1cm#page#

根据使用目的不同，超级电容器可以分为以下2类：一是启动型超级电容器，即轻型超级电容器，可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，单体容量为50～5000 F，可几个到几百个串联使用，组件电压12～700 VDC；二是牵引型超级电容器，即重型超级电容器，可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，可以几个到几百个串并联使用，组件电压12～800 VDC。

3.超级电容器的应用技术

(1) 改善启动性能

发动机在启动过程中特别是在启动瞬间，启动电流非常大，蓄电池的电压在启动瞬间可由13 V降到4 V，启动瞬时的电流可达500～600 A。尽管车用蓄电池是启动型专用蓄电池，但高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，特别是工程车辆启动频繁，高倍率放电对蓄电池有较大损伤。启动过程电压的剧烈变化将产生极强的电磁干扰，同时启动过程中电压过低，会造成电气设备不能正常工作。

如将超级电容器与蓄电池并联，发动机启动过程中，超级电容可提供较大的启动电流，减少启动时系统压降，同时大幅增加电源启动瞬时输出功率。在-20 ℃时，由于蓄电池的性能大大下降，发动机难以正常启动或需多次启动才能点火，而超级电容器与蓄电池并联后仅需一次启动即可成功，其优点非常明显。

超级电容器的等效串联电阻(ESR)远低于蓄电池内阻，因此在启动瞬间，70%的启动电流由超级电容器提供，蓄电池提供的电流不到400 A，明显低于仅采用蓄电池时的电流。

将超级电容器与蓄电池并联，有效降低了蓄电池极板的极化，阻止了蓄电池内阻的上升，使启动过程的平稳电压得到提高。最为重要的是延长了蓄电池的使用寿命。

(2) 提供行驶动力

超级电容器作为牵引动力电源，适合用在短距离、有固定电源的地方。如火车站、飞机场的牵引车上，煤矿的采煤车、运输车上，公园的游览车、游艇上以及城市的电动车上等。

超级电容器与蓄电池相比缺点是能量密度小，充电1次行驶路程很短；但它充电速度快，充完就可行驶，只要在线路合适的地方建立1个充电站即可，这比建立加油站要便宜很多；同时超级电容循环使用寿命长，无污染，零排放，低温特性好，非常适合北方寒冷地区使用。

(3) 提供辅助动力

超级电容作为电动工程车辆的辅助动力电源，与蓄电池主电源组合可形成电-电混合动力(见图2)，给电动机提供启动、爬坡、加速时瞬间大功率需求，并回收制动、重物下降时的能量，起到功率平衡作用；它作为发动机的辅助能源，可形成油-电混合动力，降低燃油消耗，提高发动机峰值功率并减少有害气体排放。

图2

(4) 发挥充放电功能

利用DC—DC变换器可实现超级电容器的充、放电，完成能量的变换与传输。比如：当叉车的起升机构下降或车辆减速时，电动机会向公用直流母线回馈电能，直流母线电压升高到一定限值时，DC—DC变换器将电能注入到超级电容器；当母线电压下降，系统中需要电能补给时，超级电容器中的能量可适时给予补充；当超级电容器能量不足时，由可调速发电机调整转速，进一步注入能量；当重物下降结束后，超级电容会积聚充足的能量；当发动机长时间处于待机状态时，可由DC—DC变换器将多余的电能量注入到超级电容器。

(作者地址：安徽省合肥市经济技术开发区百丈路8号 安徽叉车集团有限责任公司技术中心重装车辆研究所  230601)