超级电容器的现状及发展趋势综述(精选.)

文献综述

超级电容器的现状及发展趋势目录

1 前言

2 超级电容器发展现状

3 超级电容的特点

4 超级电容器电压均衡技术解决方案

5 超级电容器的发展趋势与展望

6 小结

1.前言

随着化石能源资源的日益匮乏和人们强烈的环保意识，有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展。但太阳能、风能具有波动性和间歇性，需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。同时，电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展低沉本、环境友好、能量密度高的储能装置。

超级电容器也叫做双电层电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供大功率并具有超长寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。而对于大功率系统来说，由于超级电容单体的电压值和能量都比较低，不能满足应用系统功率、放电时间及电压要求。为满足实际应用工况的电压需求，需将多个单体串并联以提高储能模块的工作电压，单体电容器参数的分散性是制约超级电容器模块寿命和可靠性的主要因素。然而市面上同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着不一致，并且在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电容器的参数不一致性。这种离散性极易造成超级电容的过充或过放，从而影响系统的使用寿命和可靠性。因此，研究和实现超级电容器的电压均衡对于提高超级电容器的整体性能是十分必要和关键的技术。基于此本文将主要对超级电容器的发展现状、优缺点、电压均衡方法及未来的发展趋势进行阐述。

2.发展现状

超级电容器利用双电层原理直接存储电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统

电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器储存的能量E=25.0V C ⨯⨯，与容量C 和工作电

压V 的平方成正比，具有较大的比电容、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保的特点。同时，与化学电源相比较，超级电容具有跟高的比功率，能够在短时间内释放化学电源所难达到的大电流，这一性质很好带地满足了某些电设备对瞬时大电流的需求，具有很大的发展潜能。目前，日本、美国、瑞士、俄罗斯等国家都在加紧超级电容器的开发，并研究超级电容器在电动车驱动和制动系统中的应用，而我国超级电容的研发较晚。 国内，电子部所率先研制出用于电子电路的容量为法拉级的产品,近年来,清华大学、上海交通大学、北京科技大学、哈尔滨工程大学、中科院电工研究所、解放军防化研究院、成都电子科技大学等,都开展了超级电容的基础研究和器件研制。其中,成都电子科技大学研制的基于碳纳米管一聚苯胺纳米复合物超级电容,能量密度达到了6.97Wh/kg,并具有良好的功率特性。在产业化方面，大庆华隆电子有限公司是首家实现超级电容器产业化的公司，其产品包括3.5V 、5.5V 、11V 等系列。北京金正平、石家庄高达、北京集星、江苏双登、锦州锦容和上海奥威等公司都开展了超级电容器的批量生产，并已在内燃机的电子启动系统、高压开关设备、电子脉冲设备、电动汽车等领域得到了应用。我国在超级电容器基础技术上的研究，以及产业化的形成，为开展超级电容器储能系统的研究和应用，奠定了良好的技术基础和物质条件。目前通过自主研发，我国成功研发出了3000F 超级电容器，经国家权威机构检测，静电容量3224.1F ，内阻0.256 m Ω,性能达到国际先进水平。

国外，2011年美国Nesscap Energy 公司与世界级的铁路车辆制造商CAF 达成协议将为西班牙主要城市的有轨电车提供超级电容，成为世界上最大的有轨机车用超级电容供应商。基于超级电容的储能系统可以使轻轨车辆在脱离输电线路电力供应时保持运行。当机车停止时，超级电容储能系统将在25秒内实现满负荷充电。通过储存刹车或机车加速时所产生的能量，超级电容可以帮助降低30%以上的轻轨或系统的能源消耗。此外，美国加州大学洛杉矶分校的研究小组实现了一个突破，用简单通用设备制造出超强功能的石墨烯电容器。这种电容器质量轻、储电量大、充电时间短，反复充电一万次不影响性能，并且即使在高压强下也能稳定放电，性能远远超过目前任何电化学电容器。而loxus 公司则发布了一种重大的电池改良

结构，根据个别设备的需求，通过定义一种全新的分布式能源结构解决了“电池问题”。Loxus 的测试显示其产品充放电次数可超过2万次并且其混合型电容器的能源效率可达95%。而最好的锂离子电池则仅有70%。目前,美国Maxwell公司的大功率超级电容器BCAP 3000 E 270的电压为 2.7V, 电容达到3000 F、比功率13800 W/kg、比能量 5.72 Wh/kg 2012年日本贵弥功于东京举行的“第三届国际充电电池展”上展出了双电层电容器“DXE”系列。“DXE”系列产品为直径40mm的圆柱形，静电容量有400、800、1200F三种，长度分别为65、105、150mm，内部电阻最低只有0.8m 。该公司还开发出了可采用铝电解电容制造技术的圆筒薄膜电容器，最大可支持1500V的电压，除了车载用途外还可用于光伏发电的功率调节器以及各种逆变器。同年松下电子开发出了可用于30~40KW的马达、容量为581uF、电压为450V和可用于80KW的马达、容量为1000uF、电压为450V的超级电容器。而日本明电舍研发出了体积能量密度达到12.4Wh/L的双电层电容器。功率密度得到很大的提高，可在更大温度范围内工作，在80℃下持续进行反复充放电实验表明，即使反复充电5万次静电容量也不会下降。在今后的研究中该公司将力争使体积能量密度达到20Wh/L。

3.超级电容器的特点

作为新兴能量存储器件，超级电容器具有与传统蓄电池及普通电解电容的优越性，但也有其局限性。

优越性：

①高功率密度：超级电容器的功率密度一般为普通电池的几十倍,能够在短时间内放出几百至几千安培电流,这使超级电容器很适合作瞬时或短时间的功率输出源。

②循环使用寿命长：超级电容器的充放电过程是物理过程,具有高度的可逆性,不存在普通电池中由于化学组成的变化而导致寿命终止的现象,其理论循环使用次数为无穷大,实际次数可达数万次以上。

③充电速度快：超级电容器的充电过程是双电层充电的快速、可逆的物理过程,允许对其进行大电流充电,能够在几十秒至数分钟完成充电过程,真正做到了快速充电,而普通蓄电池充电需数小时完成。

④适用温度范围广：超级电容器中的电荷转移大部分在电极活性物质表面进行,收到温度的影响很小。其工作温度一般为零下度至零上摄氏度。

⑤能量管理简单准确:超级电容的储能量与端电压之间具有确定的关系。因而对荷电状态的判断简单而准确,只需检测端电压,就可以准确确定所储存的能量,方便了系统的能量管理。

⑥环境友好：双电层超级电容使用的材料安全、无毒、环保。电极材料主要由碳组成,不含铅、福等重金属,不会对环境带来污染,也不会对生产或使用人员造成伤害。此外,超级电容属于静止储能器件,没有转动的机械部分,在使用中安全可靠,不会给环境带来噪声污染。

局限性：

①能量密度较低：超级电容的能量密度与蓄电池相比偏低,大约是铅酸蓄电池的。在相同的能量需求条件下,其体积重量比蓄电池组大得多,应用范围受到制约,还不适宜于大容量的电力储能。

②端电压波动范围大：超级电容的端电压随着储能量的变化波动较大,在充放电过程中会不断地上升或下降。如,当超级电容放出的储能量时,其端电压下降到了原来的。负载在工作过程中一般要求端电压稳定,因而,需要在超级电容与负载之间配置一个电压适配器,以达到稳压的目的。电压适配器的使用,造成了系统的结构复杂、成本上升和能量转化效率下降。

③串联均压问题：超级电容的单体电压较低、存储能量较小,一般需要进行串并联组合才能达到要求的电压等级和储能容量。由于电容量和等效并联内阻等器件参数的差异,导致串联单体电容电压在工作过程中的不一致。