超级电容器原理和应用分类:移动互联的基本知识或讲座2007.6.13 20:14 作者：kimberye | 评论：0 | 阅读：5029超级电容器简介(图)作者：Maxwell Technologies Bobby Maher随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。
在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中，工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。
电池技术的缺陷Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案，并且已经在很多领域中广泛使用。
众所周知，化学电池是通过电化学反应，产生法拉第电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，这也同样是采用铅酸电池（蓄电池）的设计者所面临的困难。
同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，对于要求长寿命、高可靠性的某些应用，这些基于化学反应的电池就显出种种不足。
超级电容器的特点和优势超级电容器的原理并非新技术，常见的超级电容器大多是双电层结构，同电解电容器相比，这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。
同传统的电容器和二次电池相比，超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。
除了可以快速充电和放电，超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。
所以，当一个超级电容器被全部放电时，它将表现出小电阻特性，如果没有限制，它会拽取可能的源电流。
因此，必须采用恒流或恒压充电器。
１０年前，超级电容器每年只能卖出去很少的数量，而且价格很贵，大约１～２美元／法拉，现在，超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场，价格也大大降低，平均0.01～0.02美元／法拉。
在最近几年中，超级电容器已经开始进入很多应用领域，如消费电子、工业和交通运输业等领域。
图1 超级电容器循环寿命长，具有很高的功率密度、安全性和效率超级电容器的结构虽然，目前全球已有许多家超级电容器生产商，可以提供许多种类的超级电容器产品，但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料，如图2所示。
图2 在结构上，超级电容器和电池或电解电容器的主要区别是电极材料早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般容值范围为1～5000F。
使用超级电容器超级电容器具有广泛的用途。
与燃料电池等高能量密度的物质相结合，超级电容器能提供快速的能量释放，满足高功率需求，从而使燃料电池可以仅作为能量源使用。
目前，超级电容器的能量密度可高达20kW/kg，已经开始抢占传统电容器和电池之间的这部分市场。
在那些要求高可靠性而对能量要求不高的应用中，可以用超级电容器来取代电池，也可以将超级电容器和电池结合起来，应用在对能量要求很高的场合，从而可以采用体积更小、更经济的电池。
超级电容器的ESR值很低，从而可以输出大电流，也可以快速吸收大电流。
同化学充电原理相比，超级电容器的工作原理使这种产品的性能更稳定，因此，超级电容器的使用寿命更长。
对于像电动工具和玩具这种需要快速充电的设备来说，超级电容器无疑是一个很理想的电源。
一些产品适合采用电池／超级电容器的混合系统，超级电容器的使用可以避免为了获得更多的能量而使用大体积的电池。
如消费电子产品中的数码相机就是一个例子，超级电容器的使用使数码相机可以采用便宜的碱性电池（而不是使用昂贵的Li离子电池）。
超级电容器单元（cell）的额定电压范围为２.5～2.7V,因此，很多应用需要使用多个超级电容器单元。
当串联这些单元时，设计工程师需要考虑单元之间的平衡和充电情况。
任何超级电容器都会在通电的情况下，通过内部并联电阻放电，这个放电电流就称为漏电流，它会影响超级电容器单元的自放电。
同某些二级电池技术相似，超级电容器的电压在串联使用时需要平衡，因为存在漏电流，内部并联电阻的大小将决定串联的超级电容器单元上的电压分配。
当超级电容器上的电压稳定后，各个单元上的电压将随着漏电流的不同而发生变化，而不是随着容值不同而变化。
漏电流越大，额定电压越小，反之，漏电流小，额定电压高。
这是因为，漏电流会造成超级电容器单元放电，使电压降低，而这个电压会随后影响和它串联在一起的其他单元的电压（这里假定这些串连的单元都使用同一个恒定电压供电）。
为了补偿漏电流的变化，常采用的方法是，在每一个单元旁边并联一个电阻，来控制整个单元的漏电流。
这种方法有效地降低了各单元之间相应并联电阻的变化。
另一个推荐使用的方法是主动单元平衡法（active cell-balancing），采用这种方法，每一个单元都会被主动监视，当有电压变化时，即进行互相平衡。
这种方法可以降低单元上的任何额外负载，使工作效率更高。
如果电压超过单元的额定电压，将会缩短单元的使用寿命。
对于高可靠性超级电容器来说，如何维持电压在要求的范围内是关键的一点，必须控制充电电压，以保证它不能超过每个单元的额定电压。
超级电容器改善汽车启动性能(图)作者：陈永真宁武孟丽囡张志伟1 蓄电池存在的问题蓄电池是汽车中的关键的电器部件，其性能直接影响汽车的启动。
现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。
在启动过程中特别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流为：1=E/R m+R s+R l其中：E为蓄电池空载端电压，RM为启动电动机的电枢电阻、RB为蓄电池内阻、RL为线路电阻。
由于RM、RB、RL均非常低，启动电流非常大。
例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动过程的蓄电池电压波形如图1；启动瞬时的电流达550A，约为蓄电池的12C的放电率！启动过程的蓄电池电流波形如图2，（电流传感器的电流/电压变换比率：100A/V）。
尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图1中可以看出，10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。
启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。
因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。
问题的解决方案可以加大蓄电池的容量，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。
将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。
2 超级电容器原理及特点2.1 超级电容器原理超级电容器是一种电容量可达数千法拉的电容量极大的电容器。
根据电容器的原理，电容量取决于电极间距离和电极表面积，为了得到如此大的电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积。
为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极，超级电容器的结构如图3。
双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极，如图4，很明显，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2/克。
因而这种结构的超级电容器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是介于传统的电容器与电池之间。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。
由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。
由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。
因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。
2.2 主要特点尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或是更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。
相比电池来说，这种超级电容器有以下几点优势：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，与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，则电容量越大。
因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。
充放电寿命很长，可达500000次，或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次；可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。
可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能。
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低温环境下工作；超级电容器用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；而且，超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后，还可以串联使用。
3 超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能3.1 电性能的改善采用超级电容器与蓄电池并联时启动过程的电压波形如图5，电流波形如图6。
与图1、图2相比启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V；启动电流从560A提高到1200A；启动瞬时的电源输出功率从2kW提高到8.7kW；启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V；启动过程的平稳电流由280A提高到440A；启动过程的电源平稳输出功率从2.44kW提高到4.12kW。
3.2 启动性能的改善超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能，将超级电容（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联启动安装1.9升柴油机的汽车，在10摄氏度时平稳启动，尽管在这种情况中，当不连接超级电容器，蓄电池也可以启动，但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。
由于电源的输出功率的提高，启动速度由仅用蓄电池时的启动速度300rpm，增加到450rpm；尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在零下20摄氏度时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。
