超级电容原理与应用

教学目标
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任务1 超级电容原理与运用
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任务1 超级电容原理与运用
任务导入
近几年来超级电容是发展比较迅速的一种新型储能装置，广泛应用在新能源汽 车制动能量回收系统中。新能源汽车在制动或减速的过程中，通过电机将汽车动能 转换成电能，并储存在超级电容内。汽车重新起步或加速时，超级电容和动力电池 同时对电机供电。
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任务1 超级电容原理与运用
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当超级电容器接通电源后，在电场力的作用下， 吸引电解液中的阴离子向正极聚集，同时正极电解液 中的阳离子向负极聚集，各自在正负极板上形成间隔 非常小的离子层。放电时，正负离子离开固体电极的 表面，返回电解液本体。
图2-1-5 超级电容器结构原理
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图2-1-1 电容的结构
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任务1 超级电容原理与运用 知识链接2：电容的充放电过程
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充电过程：电容与直流电源相接，如图21-2所示。电路中有电流流动，两块极板分别获 得数量相等、正负相反的电荷量。电容正在充 电过程中，其两端的电压Uc逐渐增大。一旦电 容两端电压Uc与电源电压U相等，充电完成， 此时电路中的电流停止流动，电路可视为为开 路。
图2-1-4 电容充放电曲线图
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任务1 超级电容原理与运用
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知识链接3：超级电容的结构原理
超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间 的一种新型储能装置，通过极化电解质来储能，允许 大电流快速充放电。超级电容器的结构如图2-1-5所 示，是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔 性电池隔膜及电解液组成。
知识链接4： 超级电容与一般电容的区别
电容器是一种储存电荷的“容器”，需要在外加电压的作用下才能储存电荷。不同的电容器 在相同大小的电压作用下，储存的电荷量也可能不相同。超级电容器的电容大，储存电荷量的能 力大，都以法拉（F）为单位。其次，超级电容器的充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定 容量的95%以上。循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达数万次，没有“记忆效应”。 大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%。
图2-1-2 电容充电电路
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放电过程：电容与电源断开，并连接到电阻，电容通过电阻Rd进行放电，两块板之间的电压将会 逐渐下降为零，Uc = 0，如图2-1-3。
图2-1-3电容放电电路
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任务1 超级电容原理与运用
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在新能源客车领域，超级电容器最为广泛的应用是城市混合动力客车制动能量回收系统。由 超级电容器模块组成的制动能量回收系统能够吸收并存储车辆在制动时产生的全部动能，当客车 启动或加速时将这些能量释放出来，从而使车辆节省油耗，减少排放。
超级电容器同样存在一些缺点：一是安全性，过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好 的话，本身就蕴含着“能量突然大爆发”所隐藏的风险；二是较低的工作电压，制约了它在驱动 汽车上的应用。随着技术的进步，这些问题都可以解决。
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知识链接5：超级电容在新能源汽车上的应用
超级电容充电快、耐充电、能量转换效率高，同时存在高自放电的特性，完全可以作为新能 源汽车的储能装置。其中最为丰硕的领域当属新能源客车，宇通、金龙、金旅、海格、中车等知 名企业纷纷将超级电容成功应用于新能源客车。
《新能源汽车电力电子技术》
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任务1 超级电容原理与应用
建议课时：2学时
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任务1 超级电容原理与运用
知识目标
（1）能够描述电容的作用； （2）知道电容与超级电容的不同点； （3）能理解超级电容的基本结构与工作原理； （4）能使用示波器测量超级电容充放电的波形，分析出其工作特性； （5）正确规范的使用实训板，养成良好的新能源汽车维修职业素养。
同时，电容也是表征电容器储存电荷能力的物理量，一般记为C，国际单位是法拉（F）。如 果一个电容器储存1库伦的电荷量时，两极板间的电势差是1伏，则这个电容大小1法拉，即： C=Q/U。
但电容的大小不是由Q（带电量）或U（电压）决定的，电容的大小与电容器极板的面积S、 极板间距d和极板间的绝缘介质有关。一般来说，极板面积越大，极板间距越小和极板间介质绝缘 性越好，则电容越大。常见的平行板电容器,电容的计算公式为C=εS/d。（ε为极板间介质的介电 常数，S为极板面积，d为极板间的距离）
在图2-1-2和图2-1-3中，RC和RD的电阻值分 别影响电容的充电和放电速度，原理是电阻控制了 充放电电流的大小。其中，电阻值R和电容值C的 乘积被称为时间常数τ，这个常数描述电容的充电 和放电速度。电容值或电阻值越小，时间常数也越 小，电容的充电和放电速度就越快，反之亦然。如 图2-1-4所示是电容充放电的曲线图。
本实训通过搭建电路，认识超级电容特性充放电过程，学习超级电容的原理以 及其特性，并通过规范的操作，养成良好的职业素养。
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任务1 超级电容原理与运用 知识链接1：电容的认知
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电容也是电容器的俗称，是电子电力领域中不可缺少的电子元件，主要用于电源滤波、信号滤 波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。最常见的结构就是两块平行金属板，如图2-1-1所示，两 块金属板（一般被称之为极板）之间不导通，极板之间的绝缘材料可以是空气、油等绝缘物。