1 引言
超級(jí)電容器是近年來(lái)新型能源器件的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)到法拉級(jí)甚至數(shù)萬(wàn)法拉。作為一種理想的新型能源器件，具有內(nèi)阻小，充放電電流大，充放電效率高（90％~95％）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、無(wú)污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它的比功率和比能量介于常規(guī)電容器和充電電池之間，在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域里彌補(bǔ)了常規(guī)儲(chǔ)能器件的缺陷。
由于超級(jí)電容充放電快速，因此在需要短時(shí)提供大功率緩沖、混合動(dòng)力等系統(tǒng)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用。
2 超級(jí)電容的特性
超級(jí)電容器（super-capacitor)，又稱(chēng)為雙電層電容器(electrical double-layer capacitor)、黃金電容或法拉電容，是通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的。正因?yàn)榇耍?jí)電容才可以反復(fù)充放電。它可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)的活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，從而形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。但是它不同于傳統(tǒng)的電容器。傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng)，有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。同時(shí)傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。而超級(jí)電容器的面積是基于多孔碳材料，該材料的多孔結(jié)構(gòu)允許其面積達(dá)2000m2/g，通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器的電荷分離開(kāi)的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人的靜電容量，這也是其“超級(jí)”所在。
超級(jí)電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。其充放電電流實(shí)際上決定于電容器單體大小，對(duì)于匹配負(fù)載，小單體可放10a，大單體可放1000a。另外，超級(jí)電容放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電會(huì)使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。
耐壓等級(jí)較高的超級(jí)電容都是由耐壓規(guī)格較小的單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)連接組成。為了保證系統(tǒng)安全，各單體間的電壓應(yīng)保持均衡，超級(jí)電容進(jìn)行充放電工作時(shí)各單體的電流也應(yīng)保持一致。因此，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中都會(huì)設(shè)置相應(yīng)的均壓均流電路板。除了單體超級(jí)電容的特性好壞，均壓均流電路的設(shè)計(jì)也是關(guān)乎超級(jí)電容系統(tǒng)性能的重要因素。
目前生產(chǎn)超級(jí)電容的國(guó)外主要廠家有美國(guó)maxwell、韓國(guó)nesscap、韓國(guó)korchip；國(guó)內(nèi)廠家主要有北京集星聯(lián)合電子、上海奧威、錦州百納等。其中國(guó)外品牌的電容特性，安全保護(hù)裝置等方面具有其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而國(guó)內(nèi)品牌的價(jià)格更為低廉。當(dāng)然，目前的超級(jí)電容器產(chǎn)品也存在某些不足。主要表現(xiàn)在，如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路。
3 超級(jí)電容與其他儲(chǔ)能器件的對(duì)比
與蓄電池相比，超級(jí)電容器有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
（1）電容量大。超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，兩極板的表面積越大，則電容量越大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過(guò)1f，它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000f。
（2）充放電壽命很長(zhǎng)，可達(dá)1000000次。而蓄電池的充放電壽命很難超過(guò)1000次；可以提供很高的放電電流，如2700f的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950a，放電峰值電流可達(dá)1680a，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流，一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下的使用壽命將大大縮短。
（3）充電迅速，使用便捷。超級(jí)電容可以數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池在如此短的時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)電將是極危險(xiǎn)的或是幾乎不可能的。電池、超級(jí)電容和傳統(tǒng)電容都能儲(chǔ)存電能，但是它們儲(chǔ)存電能的原理不同。電池是電能和化學(xué)能的能量轉(zhuǎn)換裝置，通常稱(chēng)為化學(xué)電源；而超級(jí)電容(edlc)和傳統(tǒng)電容是物理電源，它們儲(chǔ)存電能是靠靜電引力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。超級(jí)電容(edlc)是在高度多孔狀電極與束縛態(tài)電解質(zhì)的接觸表面所特定的雙電層來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的，傳統(tǒng)電容通常是通過(guò)平板電極所帶相異電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。因此，超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量是同規(guī)格普通鋁電容的2000倍，是鉛酸電池比功率的10倍。三者之間的性能對(duì)照關(guān)系如附表所示。
附表 三種電化學(xué)儲(chǔ)能器件的性能比較
由于超級(jí)電容系統(tǒng)往往由單體超級(jí)電容串并聯(lián)組成，因此要制作耐壓等級(jí)較高，容量較大的可直接應(yīng)用于變頻器上的超級(jí)電容，產(chǎn)品的體積也會(huì)比常規(guī)儲(chǔ)能元件大很多。如國(guó)內(nèi)廠家北京集星生產(chǎn)的22f/540v的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)柜尺寸達(dá)到了1350×850×1000mm3。該柜體中超級(jí)電容由432個(gè)2400f/2.7v單體（60×56×160mm3）串并聯(lián)構(gòu)成，包括附加保護(hù)電路、檢測(cè)顯示系統(tǒng)。
4 超級(jí)電容的應(yīng)用
在傳統(tǒng)的大型工業(yè)設(shè)備中，無(wú)論是交流變頻系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)，都存在著一定的能源利用不充分或能耗浪費(fèi)的情況。特別在交流變頻系統(tǒng)中，能耗電阻的使用存在以下問(wèn)題：
(1)浪費(fèi)能量，降低系統(tǒng)的效率；
(2) 電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；
(3) 簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好)。
針對(duì)這一現(xiàn)象，廣大科研工作者與企業(yè)開(kāi)始越來(lái)越多的將超級(jí)電容應(yīng)用到對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能改造中去。
目前山東風(fēng)光電子公司已經(jīng)把帶有超級(jí)電容能量回饋系統(tǒng)的變頻器推廣到了礦山提升機(jī)，正常運(yùn)行兩年多，用戶(hù)反映良好。當(dāng)時(shí)對(duì)再生能量的處理辦法是回饋電網(wǎng)，當(dāng)然可以節(jié)能，但由于電網(wǎng)波動(dòng)大，再生能量回饋時(shí)對(duì)電網(wǎng)有沖擊，或者說(shuō)對(duì)電網(wǎng)有一定程度的諧波污染。處理再生能量的原始辦法是耗能電阻，這部分能量被白白浪費(fèi)掉，該電阻容易燒壞且要求很大的散熱空間。為了提出對(duì)再生能量更好的處理辦法，系統(tǒng)用超級(jí)電容器儲(chǔ)能的辦法來(lái)處理再生能量，實(shí)用效果不錯(cuò)，已有多臺(tái)這種設(shè)備正在礦山正常運(yùn)行。
起重機(jī)在許多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，其工況特點(diǎn)是啟動(dòng)電流大、操作頻繁、功率消耗和回饋大。因此在起重機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)中選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能器件是合適的。
作為世界知名企業(yè)，安川公司在近年來(lái)也一直致力于應(yīng)用超級(jí)電容的混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究。他們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力場(chǎng)橋（見(jiàn)圖1），就是在變頻器的直流母線上設(shè)置了超級(jí)電容和相應(yīng)的雙向dc-dc轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與內(nèi)燃機(jī)共同為工作機(jī)構(gòu)提供能量。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，大大減少操作過(guò)程中的能量（燃料）的同時(shí)，減少了50%的尾氣排放量，還降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音和發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。系統(tǒng)節(jié)能在40%以上。
圖1 安川混合動(dòng)力場(chǎng)橋系統(tǒng)原理圖
在民用方面，超級(jí)電容的最新應(yīng)用是超級(jí)電容公交車(chē)。這項(xiàng)技術(shù)主要利用超級(jí)電容功率密度大，充放電時(shí)間短，大電流充放電特性好，壽命長(zhǎng)，低溫特性等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車(chē)上加入超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件代替原有的有纜電車(chē)。在城市市區(qū)運(yùn)行的公交車(chē)，其運(yùn)行線路在20km以?xún)?nèi)，以超級(jí)電容為唯一能源的電動(dòng)汽車(chē)，一次充電續(xù)駛里程可達(dá)20km以上，充電時(shí)間12～15min，在城市公交有廣闊的應(yīng)用前景。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2008年研制成功一款超級(jí)電容電動(dòng)車(chē)，一次只需充電15min便能連續(xù)行駛25km，最高時(shí)速可達(dá)52km/h，這項(xiàng)技術(shù)日前通過(guò)了黑龍江省科技廳組織的專(zhuān)家鑒定。目前，這項(xiàng)研究在以電容為能源的電動(dòng)車(chē)連續(xù)行駛里程、最高車(chē)速等方面達(dá)到先進(jìn)水平。
另外，超級(jí)電容由于儲(chǔ)能可以快速釋放，能應(yīng)用于短時(shí)需要提供大功率的負(fù)載，如軍事上的發(fā)射裝置等。
5 超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)
目前，超級(jí)電容在起重設(shè)備上應(yīng)用的關(guān)鍵在于合理的能量管理系統(tǒng)。由電力電子器件構(gòu)成的雙向dc/dc轉(zhuǎn)換器解決了超級(jí)電容與傳統(tǒng)設(shè)備直流母線之間的接口問(wèn)題。雙向dc/dc轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖2)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，主要又包括了電力電子電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和超級(jí)電容充放電控制策略的優(yōu)化。
圖2 雙向dc/dc變換器原理圖
雙向dc/dc變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種型式：直接連接型和變壓器隔離型。
直接連接型的主要特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前應(yīng)用得較多。以高壓側(cè)作為輸入時(shí)，其工作原理與普通的buck電路完全相同；如果以低壓側(cè)作為輸入時(shí)，則與boost電路無(wú)異。這種電路工作時(shí)利用另一只開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管作為續(xù)流元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件的利用率高，但是輸入、輸出側(cè)沒(méi)有電氣隔離。當(dāng)電路作boost工作時(shí)，由于二極管在電流比較大的情況下承受反壓而關(guān)斷，因此二極管的反向恢復(fù)電流比較大。開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)困難，開(kāi)關(guān)損耗大。
變壓器隔離型雙向dc/dc變換器是在單向全橋dc/dc變換器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。與單向全橋變換器類(lèi)似，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)主要利用變壓器的漏感、串聯(lián)電感或飽和電感等元件，以擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的范圍。但是，附加電感的存在會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增大、效率降低，以及由反向恢復(fù)引起的副邊整流二極管的電壓振蕩和損耗等問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)雙向dc/dc變換器的研究大多集中在控制策略和軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方面，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面基本上采用上面所述的兩種型式，即直接型采用buck、boost電路，隔離型采用全橋電路。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了新型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容的主要特點(diǎn)，比較分析了它對(duì)比其他儲(chǔ)能器件的優(yōu)勢(shì)。然后，介紹了超級(jí)電容的應(yīng)用情況。最后還對(duì)超級(jí)電容應(yīng)用中的電力電子技術(shù)進(jìn)行了概述。由于超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，在綠色環(huán)保、清潔能源、混合動(dòng)力等眾多領(lǐng)域，超級(jí)電容的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。可以預(yù)見(jiàn)，更多的超級(jí)電容系統(tǒng)的應(yīng)用，必將推動(dòng)超級(jí)電容器的性能價(jià)格比的不斷提高，同時(shí)也使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，前景更加光明。
作者簡(jiǎn)介
周新民（1965-） 男 副教授，1986年畢業(yè)于華中科技大學(xué)船舶及海洋工程系船電專(zhuān)業(yè)。主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、工程機(jī)械混合動(dòng)力技術(shù)。
參考文獻(xiàn)（略）
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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