超级电容器的原理

2008年01月29日天外来客 6,084 views

超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。以美国库柏Cooper公司的超级电

容为例，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，要尽可能缩小超级电容器电极间距离、增加电极表面积，为此，采用双电层原理和活性炭多孔化电极。

超级电容器双电层介质在电容器的二个电极上施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷极性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二个电极。很明显，二个电极的距离非常小，只有几nm．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200 m2/g。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介于传统电容器与电池之间。当二个电极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器处在正常工作状态(通常在3 V以下)，如果电容器二端电压超过电解液的氧化还原电极电位，那么，电解液将分解，处于非正常状态。随着超级电容器的放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液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不同。

品牌	合众汇能 HCC	型号	HCAPC-HE 2R7 508
类别	直插	结构	固定
封装外形	www.621mm 圆柱形

HCC 2.7V5000F具有超高能量密度，在能量密度上有了质的飞跃，达到10.8wh/l和9.7wh/kg，是常规产品能量密度的两倍以上，为全球法拉电容的产品中最高值，且具有最优越的性价比。

产品应用领域：

1.太阳能灯的主电源

2.大型设备的后备电源

3.风力发电的中间存储电源

4.替代电池作为主能源

产品技术参数：

额定电容量, (DCC, 25℃) CR		5000 F	DCC 恒流放电（1mA/F）
容量偏差率		-10%~+30%
容量		3750mAh
额定电压, (25℃) VR		2.7V
尖充电压, Vsurge		2.85V
最大储存能量 (at VR) E		18.2kJ(5.06Wh)
比能量 (at VR)	质量比	9.7Wh/kg
比能量 (at VR)	体积比	10.8Wh/l
最大内阻 (ESR)	ESRAC (1kHz)	< 2 mΩ
最大内阻 (ESR)	ESRDC (10A)	< 3 mΩ	50mHz
尺寸 (不含引出端子)		Ø63 x 150
体积 (不含引出端子) v		468ml
质量 m		520g
工作温度范围 Top		-40~+65 ℃	与初始测量值比较，\|?C \|< 20% ， ESR< 2倍，25℃
储存温度范围(at 0V) Tst		-40~+70 ℃
最大漏电电流, LC (12h, 25℃)		6 mA
寿命 (at VR, 25℃)		90000h	与初始测量值比较，\|?C \|< 30%，ESR< 2倍，LC < 标定值 1循环: 20s充电至VR, 恒压继续充10s, 20s放电至1/2VR, 静置10s

随着社会经济的发展，人们对于绿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。

超级电容器的等效串联电阻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。
网络采集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。

国产超级电容器已进入实用化阶段

据上海奥威科技开发有限公司介绍，该司法拉级的超级电容器年产量已达几百万只，批量应用于各种数据贮存系统和低功耗无电源器具，大容量级的超级电容器已在高尔夫车和公交车等交通工具上进行应用试验。48V的高尔夫车使用80只5万法拉的双电层电容器，每2只并联后再串联，工作电流为30A ，电容器组的体积与48V180Ah的蓄电池相近，70A充电10分钟，可行驶20千米。公交车系统由传统无轨电车改制而成，11.5米长，采用360只8万法拉的双电层电容器串联而成，电容器安装在电车的贮物箱中，工作电压为590至400V，1

60A充电近2分钟，汽车空载行驶可达8.9千米，负载6吨并带空调的情况下可行驶3.5千米；该车已试验运行近万千米，公司已在上海浦东郭守敬路建示范自动充电站一座，给电容器充电由自动控制系统自动完成。该司计划在适当的时候首先将大容量超级电容器应用于公交车，在公交车的首发站和终点站建立自动充电系统，对于线路较长的公交车，可在中途增加适量充电站，利用上下乘客的时间给电容器补充电。上海奥威科技开发有限公司是我国目前规模最大的非对称双电层电容器的开发和生产企业，该司开发的双电层电容器，其比容量目前已达到蓄电池的1/4至1/3

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纯电动汽车“产业化不适症”有药可解

文章类别: 应用状况作者：樊春艳来源：节能与新能源汽车网时间：2008/06/10 [参看评论(0)]

[简介] 纯电动汽车的零排放和不依赖于化石能源的两大优势使其在新能源汽车领域一直备受关注，但电池成本居高不下、电能生产及回收中的污染等阻碍产业化的难题也一直困扰着业内人士。纯电动汽车真的只能成为一个遥遥无期的远景吗？

纯电动汽车的零排放和不依赖于化石能源的两大优势使其在新能源汽车领域一直备受关注，但电池成本居高不下、电能生产及回收中的污染等阻碍产业化的难题也一直困扰着业内人士。纯电动汽车真的只能成为一个遥遥无期的远景吗？答案或许可以更乐观一些：记者从国内从事电动汽车研究与生产的专家处了解到，纯电动汽车在我国已经有了一定的产业基础，而且纯电动汽车产业化的几个难题并非无解之题，专家还预计在2010年，我国纯电动乘用车年产量将达到8万辆左右，以年驶2万公里，对比耗油8L/百千米，可实现年替代燃油10万吨，年减少CO2排放30余万吨的目标，看来，我们有理由对纯电动汽车在近期寄予更大的希望。

纯电动汽车已具备一定的产业化基础

首先，我国的纯电动轿车已实现了批量出口美国。

就在人们还在讨论纯电动汽车的种种“市场不适症”时，其实中国的纯电动汽车早已出口美国市场，出口量呈现出了连年增长的势头，天津清源的幸福使者纯电动车从2005年底的首批100辆到2008年的200至250辆出口美国，至今已累计出口1200辆，市场反应良好，目前还有10辆纯电动车在欧洲做相关认证，进入欧洲市场也指日可待。

中国纯电动汽车的产品性能和质量得到世界最严格的汽车质量标准和法规国家的认可，颇有墙内开花墙外香的感觉。另外，天津清源的电动车产业基地也将于6月底建成，产能达到单班2万台，生产线的设计产能达到5至6万台。这款在颇受欢迎的幸福使者纯电动汽车在美国的售价为1.5万至1.8万美元，承诺的电池寿命在两年三万公里，如果在国内销售，售价会在7万至8万元人民币，还是有一定的诱惑力的。

其次，我国研发的搭载锰酸锂动力蓄电池的纯电动轿车，不仅完成了国家标准规定的所有试验，还进行了动力电池的各项滥用试验，并在2006年完成了国际首例整车正面碰撞试验，证实了高性能纯电动汽车产品的安全性。

第三，国家863计划和其他一些科技鼓励项目对车用动力电池的研发都在全力支持，在电动汽车用动力蓄电池，驱动电机等关键零部件技术、电子控制技术和系统集成技术上取得了较大的进展，初步形成电动汽车关键零部件配套产业链。技术层面已经取得了较大的进步，电动车企业可以对其寄予厚望。种种迹象均表明，我国纯电动车的产业化基础已经初步形成。

纯电动汽车成本过高可通过三种渠道解决

业内普遍认为纯电动车产业化最大的障碍之一就是成本过高，其实这并不仅仅是国内纯电动车发展所面临的问题，而是全球化的难题，但纯电动汽车推广较好的国家给了我们启示：成本问题并非无药可解。

纯电动汽车的成本过高主要是动力电池的成本居高不下，根据美国、欧洲等国家和地区的经验，可以通过政策鼓励、技术进步以及产业化来多渠道降低动力电池的成本。

首先，可以通过政策鼓励来平衡掉一部分电池成本，可以参考美国、欧洲对纯电动汽车的财税激励政策，采取减免购置税、免去生产企业增值税和直接财财政补贴的方式，虽然国家税务部门的相关同志已经在很多场合表示，目前国内并没有启动对新能源汽车的财税鼓励政策的制定，但这并不妨碍人们对它的预期。如果通过各种形式总共形成对电池成本60%的支持力度，余下增加的成本消费者可以通过后续的使用在三至四年内收回，这是切实可行的。

其次，在技术层面，一方面，整车企业可以通过全球采购给电动车配备上价格较低、性能较优越、寿命较长的动力电池，另一方面，动力电池这几年来的技术进步非常大，我国在锂离子电池技术方面在全球处于先进行列，人们有理由对其寄予厚望。

第三，一旦纯电动汽车走上市场，会推动国内的车用动力电池企业加大研发力度和产业化进程，产业化势必会带来成本的降低，而一旦市场认同，新一轮的投资会接踵而来，技术进步的幅度定会加大，在这种鸡生蛋和蛋生鸡的问题上，政策的激励对市场的引导作用可以让整车和电池的生产企业早日进入。

解决电能生产环节的污染未来可依赖绿电力

虽然纯电动汽车的零排放一直被人们津津乐道，但从电动汽车发展之初，就有专家指出用于驱动电动汽车的电能生产环节会带来较大的污染，这主要是针对我国电能最大的来源还是火电的现状，也就是用煤发电。虽然基于火电的现状，对纯电动汽车在全生命周期排放的评价是个不利的条件，但我国目前水电和核电等绿电力已经取得了较大的发展，虽然近期不会对电能的生产格局产生根本的影响，但已有所改善。

另外，对于污染物的控制而言，流动的污染源和固定污染源的处理难度大为不同。用煤发电产生的污染物是定点定量，属于固定污染源，可控性较好，而反过来，基于传统内燃机的尾气排放则属于流动的污染源，控制和治理的难度相对要大得多。从这个角度来说，也为纯电动汽车加了不少分。

电池寿命及废弃电池的污染问题寄望技术进步

车用动力电池的回收污染问题也一直受到人们的关注，可以想象，当越来越多的纯电动汽车驶上街头，动力电池的回收污染就一定会成为问题，那么纯电动汽车除了在排放上可以做到零污染，在电池的回收上又有什么减少污染的方法呢？有关专家提出了几点令人信服的建议，可以让那些担心废弃电池污染的人们打消一些顾虑。

首先，技术的进步已经使电池与整车寿命接近成为了可能。据专家介绍，目前国内电池生产企业已达到单体电池2500次充放的水平，电池成组后的热管理水平也在提高，目前目标为充放1000次的试验正在进行中，如果充放1000次的目标达到，以日行驶里程60公里，续驶里程120公里来计算，电池的寿命可以达到5年以上，人们普遍担心的一辆车用若干块电池从而带来严重污染的问题将不再严峻。另外，日本关于下一代动力电池的规划（见表1）也给了人们一个信息：永远不要低估技术进步的力量。

供墨系统

表1日本下一代车辆燃料行动计划中对电动汽车动力电池发展的预期和目标

	当前现状	改良型电池（2010年）	先进型电池（2015年）	革新电池（2030年）
用途	用于电力公司的EV小型电动车	特殊用途的微型汽车高性能混合动力汽车	普通微型电动汽车燃料电池汽车插入式混合动力汽车	纯电动汽车
性能	1	1	1.5倍	7倍
成本	1	1/2	1/7	1/40

其次，对于电池的回收污染问题，由于铅酸电池中铅、酸和铬的污染较大，在产业化时，可以直接推行绿动力电池，比如锂电池和镍氢电池，这两大类电池中一些成分完全可以回收再利用，其中锂电池的有效回收部分可以达到40%，一旦纯电动汽车走向市场，由于经济的驱动，还可以带动废旧电池收购、回收、利用等相关产业的发展。

另外，氧浓度传感器电池如果不再适合用在车上，可以用于医院等其他部门的备用电池，待完全报废以后，再进入回收再利用环节，这也为电池的回收利用提供了一个新的解决方案。

充电设施的建设寻求合作共赢

这又是一个鸡生蛋和蛋生鸡的问题。汽车企业强调电网公司要配合建设电动汽车充电站，而电网公司则反问：充电站建好了，谁来充电？

让市场决定、合作共赢，汽车生产企业和电网公司人士应该达成上述共识。其实这个问题也有很好的解决方案。

首先，由于我国的住宅普遍达不到一户配备一个车库，建议电网公司与城市小区物业和大型停车场联合，在公共停车场加装充电设备，计费充电。另外，新建小区的车库和停车场应该将充电设备纳入规划。

其次，如果能在全国范围内实施峰电和谷电分别计费，对多数情况下在夜间

利用谷电充电的电动汽车使用者将是一个很大的利好。

矫姿带针对电池企业和电网公司谁先迈出第一步的问题，可借鉴国外合作开发、互利共赢的做法。比如法国电网公司和电池公司联合，电网公司先期补充经费给电池企业，共建充电设施，电网公司后期通过用电得到利益补偿，多方合力将电动汽车推向市场。

当然，纯电动汽车产业化存在的问题不止这些：比如奇瑞汽车工程研究院的专家就提出动力电池的管理系统的复杂性应该引起重视，因为其难度和复杂性相当于传统内燃机的ECU；另外就是纯电动整车的生产资质和产品准入的问题，这也是纯电动汽车在我国面临的最大问题之一。尽管还有这样那样的问题，但可以说，纯电动汽车产业化在技术层面一直困扰业内人士的几大问题都不是不解之题，那么，我们确实需要给纯电动汽车一个成长的空间了。

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