超级电容器性能原理及应用

超级电容器性能原理及应用
本文摘自: 电池论坛() 详细出处请参考：/thread-209320-1-1.html
超级电容器是在19世纪60、70年代率先在美国出现，并于80年代实现市场化的一种新型的储能器件，具有超级储电能力。

它兼具普通电容器的大电流快速充放电特性与电池的储能特性，填补了普通电容器与电池之间比能量与比功率的空白。

超级电容器被称为是能量储存领域的一次革命，并将会在某些领域取代传统蓄电池。

超级电容器性能
超级电容器的能量密度是传统电容器的几百倍，功率密度高出电池两个数量级，很好地弥补了电池比功率低、大电流充放电性能差和传统电容器能量密度小的缺点。

图1：超级电容器性能优势图
超级电容器与铅酸、镍氢和锂电池相比，在自放电、能量密度和能量成本方面显现不足，但在效率、快充特性、温度范围、安全性、功率成本、功率密度、寿命方面，超级电容器有着其他电池不可超越的优势。

超级电容器是一种无污染的新型储能装置，寿命超长(1-50万次)、安全可靠、储能巨大，是一种理想的储能装置，具体特性如下：
1、高循环寿命，循环寿命可达50万次以上，合计10年，远超电池理论上的最大循环2000-5000次;
2、快速充电特性，由于不存在电能转化化学能的化学反应，充电10秒-10分钟，可达到其额定容量95%以上;
3、高功率密度特性，具有优越的动力特性，可达300W/kg~5000W/kg，相当于电池的5-10倍;能较好地满足车辆在启动、加速、爬坡时对瞬间大功率的要求;
4、大电流放电能力超强，过程损失小;大电流是电池的几十倍;
5、超低温特性好，温度范围宽-40℃~+70℃;而一般电池是-20℃~+60℃;
6、无污染，安全可靠，超级电容器是绿色能源(活性炭)，不污染环境，是理想的绿色环保电源;
7、全寿命免维护：超级电容器采用全密封结构，没有水分等液体挥发，在使用过程中全寿命不需要维护;
8、相符成本地，超级电容器价格比铅酸电池高1倍，但寿命比电池高10倍。

超级电容器的结构
超级电容器结构和电池结构一样，主要由极化电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料等几部分组成。

超级电容器的性能主要由制造技术、电解液的组成、隔膜质量和组装工艺等决定。

其中电极的制造技术包括电极材料和电极的制备，是超级电容器最关键的技术之一。

根据电解液分，超级电容器分为有机体系和水溶剂体系。

有机体系比水溶剂体系具有较高的工作电压，天津力神生产的超级活性炭双电层超级电容器是有机体系。

随着超级电容器的市场不断扩大和整个市场需求的日益增长，将会出现两个大的方向：高能量型超级电容器和高功率型超级电容器。

天津力神研发的超级电容器模块
超级电容器的应用
超级电容器产品由于其具有特殊的优点，全球需求量迅速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。

应用领域非常广阔。

它的应用领域涉及运输业、风能、储能和工业用UPS等各个领域。

不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置，也将改进风能、太阳能等间歇性能源利用的可能性，在满足人们对能源需求的同时，减少了对石油的依赖。

此外，超级电容器还在包括税控机、数码相机、掌上电脑等微小电流供电的后备电源等消费性电子产品及众多领域有着巨大的应用价值和发展潜力，被世界各国广泛关注，行业前景可期。

一、超级电容器在运输业的应用
首先是纯电动汽车领域的应用。

就在上海世博会期间，某公司研制出一款去掉辫子的超级电容器纯电动汽车，此为上海世博会“零排放”公交车。

这款公交车每隔2-3公里就会在指定的充电站(兼具公交车站功能)进行充电，充电时间仅需几分钟，位于公交车座位下的超级电容器就完成了全部充电任务。

超级电容器的公交车充电方式灵活多样，可以从刹车系统中获取能量，这类公交车时用的电力比无轨电车少40%，能耗仅为燃油车的三分之一。

图为世博会上零排放的超级电容器公交车
超级电容器还应用在混合电动车上。

混合电动汽车采用多能源系统提供动力，以燃油发动机作为主要动力，以二次电源作为辅助动力。

混合电动汽车最大的优点就是在加速期间或爬坡时，要从有电池和超级电容器组成的能量储存系统吸取电力，当车辆的动力需求较低时，该能量储存系统被充电，这样不仅增加了能量效率，而且车辆能够通过再生制动，在减速时能量重新回收，加速时付出，既节省了油又减少了污染。

混合电动汽车能节油30%-50%,减少污染70%-90%。

将蓄电池与超级电容结合起来，他们的优点可以互补，成为一个极佳的贮能系统。

此还可用于卡车低温起动、中型和重型卡车、陆上和地下的军事用车，它在大电流以及高低温条件下工作，都会有很长的寿命。

超级电容器混合电动汽车
此外，超级电容器与蓄电池并联应用，可以提高机车的低温启动性能。

就是对于提高汽车在冷天的启动性能(更高的启动转矩)，超级电容器具有非常重要的意义。

通常在-20℃时，机动车由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需要多次启动才能成功，而超级电容器可以在-40℃与蓄电池并联时，仅需
一次点火，其耐低温性能优点非常明显。

超级电容器应用于车辆低温启动
在城市轨道交通工程中，车辆的制动方式为电制动(再生制动)加空气制动，在运行中以电制动为主，空气制动为辅。

运行中的列车由于站与站之间的距离较短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。

超级电容器在应用于轨道车辆中时，在轨道车辆制动的时候，回收制动能量，存储于超级电容其中;而当车辆再加速时，超级电容器将这些能量释放出来，于是节省了30%的能量。

超级电容器应用于轨道车辆能量回收
在航空航天领域中，超级电容器也能够得到很广泛的应用。

比如飞机在开启舱门时，需要特别强的爆发动力，而超级电容器会完成这个功能，它在为飞机开启门提供爆发动力，使用寿命可达25年，140000飞行小时，已经通过空中客车公司资质证明，于2004年测试，设计产品是BCAP0140。

在地面上，正常操作和紧急操作时，门必须被打开，在飞行时，门必须被关上并锁紧，滑道必须在紧急情况被需要的时候膨胀。

超级电容器在飞机操作过程中作为爆发动力应用
现在混合动力叉车及电动叉车大都采用由超级电容器作为驱动传动机构，传送和接收峰值功率，进行能量回收，节省燃料，实现更长工作时间。

超级电容的轮胎式集装箱起重机，利用大容量超级电容器，可以短周期大电流充电和放电，在起动时能迅速大电流放电，下降时能迅速大电流充电，将能量吸收，起到节能环保的作用。

图为超级电容的轮胎式集装箱起重机
二、超级电容器在风能领域的应用
超级电容器的突出特点是：高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、状态易监控、长循环寿命、长工作寿命、免维护、环保等。

因此它极为适合在风力发电机组环境中工作。

风力发电变桨利用超级电容器储能电源的基本工作原理是：平时，由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器储能电源充电，直至超级电容器储能电源达到额定电压。

当需要为风力发电机组变桨时，控制系统发出指令，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。

超级电容器极适合在风力发电机组环境中工作
三、储能领域应用
现有超级电容器产品，它不仅已经用作光电功能电子表和计算机贮存器等小型装置电源，而且还可以用于固定电站。

在边远缺电地区，超级电功容器可以和风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，使无风或夜间也可以提供足够的电源。

卫星上使用的电源多是由太阳能电池与镉镍电池组成的混合电源，一旦装上了超级电容器，那么卫星的脉冲通讯能力一定会得到改善。

此外，由于它具有快速充电的特性，那么相对于电动玩具这种需要快速充电的设备来说，无疑是一个理想电源。

上图为微电网储能模组技术参数
四、UPS不间断电源应用
UPS起作用往往是在掉电或电网电压瞬时塌波的最初几秒到几分钟内起决定作用，需要蓄电池在这段时间提供电能。

当今的USP系统大多使用铅蓄电池作为电能存储装置，蓄电池自身的缺点需定期维护、寿命短，使UPS在运行时需要时刻检测蓄电池的状态。

在数据保护的备份系统中，需UPS提供的时间相对很短。

由于它的充电接受能力远不如超级电容器，在频繁停电的情况下使用时，就会因为长期充电不足而使电池硫酸盐化，从而缩短使用寿命。

超级电容的优势尤为明显，其输出电流几乎没有延迟地上升到高达数百安培甚至上千安培，而且可以在数分钟之内快速地充电，在很短的时间内就可以实现能量存储，完全不会受频繁停电的影响。

而且具有5万次循环寿命，十年不需要护理，使UPS真正实现免维护。

此外，在某些特殊情况下，超级电容器的高功率密度输出特性，会使它成为良好的应急电源。

例如在炼钢厂的高炉冷却水是不允许中断的，都备有应急水泵电源。

一旦停电，超级电容器可以立即提供很高的输出功率启动柴油发电机组，向高炉和水泵供电，确保高炉安全生产。

超级电容器在UPS不间断电源应用
五、其他工业领域应用
第一，电动工具
电动工具一般需要能够提供瞬间高功率及长寿命，并且要求快速充电。

装有超级电容器的电动工具电源装置能满足应用的需求性能。

超级电容器一次充电能满足100次的切割工作。

而且这种设备还要求不带电线外供电，方便携带。

第二，电动玩具
在电子玩具中，常要求瞬时大电流，而电池无法提供，将超级电容器与电池组合可以解决此问题，超级电容器也可以作为电源对电子玩具供电，不仅降低使用成本而且减轻质量。

第三，手电筒
在需要使用手电筒的紧急情况下，却发现手电筒越来越暗淡无光，是十分令人沮丧的，因为电池的寿命已至。

即使是现代的LED手电筒，也需要数小时充满电，而且电池的循环寿命很短。

电池的所有这一切都可能成为历史。

一种使用超级电容器而不是电池做为储能元件的手电筒，充电只需90s，循环寿命可达50万次。

如果您每天使用一个充放电循环，可使用约135年。

这种战术手电筒是为专业用户开发的，主要是如警察和军队。

第四，应急照明灯储能系统
为了确保应急照明灯具有节电、高亮度、长寿命和不间断性，采用由直流电源供电的半导体照明灯LED。

采用LED灯后，节约了大量的电能，维修费用，同时也确保了照明质量。

采用超级电容器作为储能元件，确保了应急照明灯的超长寿命和免维护、可靠性强等特性。

第五，电信
超级电容器的发展潜力具有更广的应用范围。

从数码相机、燃料电池到卡车、火车.采用超级电容器的产品项目不断增加，电信工业采用超级电容器是一种新颖的应用，结合超级电容器电子电路开发的电能超高速缓冲存储器(Powercache)储能模式，创造一种模仿48V电池工作的装置，它只提供几秒钟的备用电源。

同时，它还桥接长期电源。

这种以超级电容器技术为基础的电信产品具有十分卓越的优点——不须维修地工作10年，能快速再充电和抗干扰能力强。

第六，电梯超级电容器作为应急电源：可以用于到达下一层、打开门、用于呼叫和照明系统等。

第七，税控收款机
税控收款机是一种具有法律严肃性和不可破坏性的带有计税功能的收款机。

它内部装有自动记录但不能更改和抹掉的计税存储器，记录着每日的营业数据和应纳税额，是向纳税机关纳税的凭据。

税控收款机都具有断电保护功能，即当出现突然断电时，仍能将数据存储，并能进行短时间IC读写卡的操作过程，这时需要有后备电源作保护。

后备电源有两种解决方案：超级电容器和电池。

超级电容器与电池相比具有放电电流大，循环寿命长、绿色环保等特点。

使用超级电容器增强了税控收款机的可靠性，免除了电池需要每隔2-3年维护更换一次的工作。

在断电时，由超级电容器为控制电路提供能量，CPU可在短时间执行数据存储过程，读写完成后，电容器再提供瞬间脉冲电流(几A)，将IC卡弹出。

第八，远程抄表远传水表系统包括：无线远传水表(超级电容器供电)、楼宇主机(交流供电)、集中器(交流供电)及管理中心的智能抄表控制系统软件。

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无污染储能器件，因其有无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。

超级电容器被称是储能领域的一场革命。

目前，国外(特别是美国、日本)对超级电容器的研究重点主要在于如何提高超级电容器的储能密度以满足电动车等应用，其研究内容涉及到新材料的研发、制作工艺方法改进等。

国内对超级电容器的研究则刚刚起步，目前只有少数企业可以工业化生产活性炭类超级电容器，所需要做的工作还很多。

虽然超级电容器在应用中显示出强大的生命力，但是也要看到，目前的超级电容器在电能储存方面与电池相比还有一定的差距，因此怎样提高单位体积内的储能密度是目前超级电容器领域的一个研究重点和难点。

应该说制作工艺与技术的改进是提高超级电容器储存电能能力的一个行之有效的方法，这种方法包括“杂化”超级电容技术。

从长远来看，寻找新的电极活性材料才是根本所在，但同时这也是难点所在。

超级电容器越来越轻、供电能力越来越强的目标实现必须借助一些高新技术的开发与应用，如纳米技术等，只有这样，超级电容器的前景才会越来越光明。

目前，超级电容器电池占世界能量储存装置(包括电池、电容器)的市场份额不足5%，在我国所占市场份额约为0.5%，国内应用则刚刚起步，预计到2015年，全球电极炭市场需求量61万吨，各类超级电容器、电池需求量115亿只(台套)。

由此可见，超级电容器的市场空间十分巨大。