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超级电容原理及应用简介 技术部孙世强2009年4月18日 超级电容的基本原理 超级电容 supercapacitor 又叫双电层电容 ElectricalDoule LayerCapacitor 黄金电容 法拉电容 即通过外加电场极化电解质 使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层 从而实现储能 其储能过程是物理过程 没有化学反应 且过程完全可逆 这与蓄电池电化学储能过程不同 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件 它既具有电容器可以快速充放电的特点 又具有电池的储能特性 概述 1 超级电容的原理和特点2 超级电容的性能指标3 超级电容与普通物理电容比较4 超级电容与可充电池比较5 超级电容的应用 超级电容器的分类 根据使用电极材料的不同可分为两大类 1 以炭材料为电极 以电极双电层电容的机制储存电荷 本质是静电型能量储存方式 通常被称作双电层电容器 EDLC 电容量与电极电位和比表面积的大小有关 因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料 从而增加电容量 例如 活性碳的表面积可达1000m2 g 电容量可达100F g 且碳材料还具有成本低 技术成熟等优点 该类超级电容在汽车上应用也最为广泛 2 以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极 以氧化还原反应的机制存储电荷 通常被称作电化学电容器 与双电层电容器的静电容量相比 相同表面积下超电容器的容量要大10 100倍 因此可以制成体积非常小 容量大的电容器 但由于贵金属的价格高 主要用于军事领域 电容量大 超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加 根据电容量的计算公式 那么两极板的表面积越大 则电容量越大 因此 一般双电层电容器容量很容易超过1F 它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3 4个数量级 目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F 充放电寿命很长 可达500000次 或90000小时 而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次 可以提供很高的放电电流 如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A 放电峰值电流可达1680A 一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短 可以数十秒到数分钟内快速充电 而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能 可以在很宽的温度范围内正常工作 40 70 而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作 超级电容器用的材料是安全的和无毒的 而铅酸蓄电池 镍镉蓄电池多具有毒性 等效串联电阻ESR相对常规电容器大 10F 2 5V的ESR为110m 可以任意并联使用一增加电容量 如采取均压后 还可以串联使用 超级电容的特点 超级电容器的优缺点 优点 在很小的体积下达到法拉级的电容量 无须特别的充电电路和控制放电电路 和电池相比过充 过放都不对其寿命构成负面影响 从环保的角度考虑 它是一种绿色能源 超级电容器可焊接 因而不存在像电池接触不牢固等问题缺点 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象 和铝电解电容器相比 它内阻较大 因而不可以用于交流电路 超级电容制作工序 1 非极化电极制作工艺流程混料和浆 金属氧化物 纤维素溶液 刮浆 导电骨架 干燥 烧结 浸渍 水洗 干燥 化成 烘干 2 极化电极制作工艺流程混料和浆 活性炭 粘合剂 导电剂 拉浆 烘干 裁剪成形 3 超级电容器制作工艺组合 正 负极 隔膜 点焊极柱 装壳 注电解液 测试分容 组件组合 包装入库 超级电容的性能指标 额定容量 以规定的恒定电流 如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A 200F以下的为3A 充电到额定电压后保持2 3分钟 在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值 额定电压 可使用的最高安全端电压 如2 3V 2 5V 2 7V 额定电流 5秒内放电到额定电压一半的电流等效串联电阻 以规定的恒定电流和频率 DC和大容量的100Hz或小容量的KHz 下的等效串联电阻 漏电流 一般为10 A F寿命 在25 环境温度下的寿命通常在90000小时 在60 的环境温度下为4000小时 与铝电解电容器的温度寿命关系相似 寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升 寿命终了的标准为 电容量低于额定容量20 ESR增大到额定值的1 5倍 循环寿命 20秒充电到额定电压 恒压充电10秒 10秒放电到额定电压的一半 间歇时间 10秒为一个循环 一般可达500000次 寿命终了的标准为 电容量低于额定容量20 ESR增大到额定值的1 5倍功率密度 kW kg 和能量密度 wh kg 超级电容与传统电容的比较 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的 储存电荷的面积越大 电荷被隔离的距离越小 电容越大 电容值为 C A 3 6 d其中A为极板面积 d为介质厚度 为相对介电常数传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的 只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积 从而获得大的电容 另外传统电容是用塑料薄膜 纸张或陶瓷等将电荷板隔开 这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿 超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的 这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米 而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的 其值小于10埃 由于活性碳材料具有 1200m2 g的超高比表面积 即获得了极大的电极面积A 而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm 即获得了极小的介质厚度d 这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多 比容量可以提高100倍以上 从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能 一个超级电容单元的电容值 实现电容量0 5 5000F 工们电压12 400v 最大放电电流400 2000A 超级电容能量密度较传统电容高 但功率密度较之低 超级电容与电池的比较 超低串联等效电阻 功率密度是锂离子电池的数十倍以上 适合大电流放电 一枚4 7F电容能释放瞬间电流18A以上 超长寿命 充放电大于50万次 是Li Ion电池的500倍 是Ni MH和Ni Cd电池的1000倍 如果对超级电容每天充放电20次 连续使用可达68年可以大电流充电 充放电时间短 对充电电路要求简单 无记忆效应 免维护 可密封温度范围宽 40 70 一般电池是 20 60 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位 且可以完全放出 而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围 如果过放可能造成永久性破坏 超级电容器的荷电状态 SOC 与电压构成简单的函数 而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响 相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害 超级电容器可以反复循环数十万次 而电池寿命仅几百个循环 超级电容功率密度较电池高 但能量密度不如电池 但有时可将两者结合起来 将电容器的功率特性和电池的高能量存储进行优势互补 不失为一种更好的途径 超级电容的选用 超级电容器的两个主要应用 高功率脉冲应用和瞬时功率保持 高功率脉冲应用特征 瞬时向负载提供大电流 瞬时功率保持应用特征 要求持续向负载提供功率 持续时间一般为几秒或几分钟 高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻 R 而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量 C 超电容容量的近似计算公式 能量需求 超电容输出能量 保持期间所需能量 1 2I Uwork Umin t 超电容输出能量 1 2C Uwork2 Umin2 因而 可得其容量 忽略由IR引起的压降 C I Uwork Umin t Uwork2 Umin2 超级电容器使用注意事项 1 超级电容器具有固定的极性 在使用前 应确认极性 2 超级电容器应在标称电压下使用 当电容器电压超过标称电压时 将会导致电解液分解 同时电容器会发热 容量下降 而且内阻增加 寿命缩短 在某些情况下 可导致电容器性能崩溃 3 超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中 高频率的快速充放电会导致电容器内部发热 容量衰减 内阻增加 在某些情况下会导致电容器性能崩溃 4 超级电容器的寿命 外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响 电容器应尽量远离热源 5 当超级电容器被用做后备电源时的电压降 由于超级电容器具有内阻较大的特点 在放电的瞬间存在电压降 V IR 6 使用中环境气体 超级电容器不可处于相对湿度大于85 或含有有毒气体的场所 这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀 导致断路 7 超级电容器的存放 超级电容器不能置于高温 高湿的环境中 应在温度 30 50 相对湿度小于60 的环境下储存 避免温度骤升骤降 因为这样会导致产品损坏 超级电容应用领域 a 无线通讯 GSM手机通讯时脉冲电源 双向寻呼 其它数据通讯设备b 移动电脑 手提数据终端 PDA 其它使用微处理器的手提设备c 工业 汽车 智能水表 电表 远程载波抄表 无线报警系统 电磁阀 电子门锁 脉冲电源 UPS 电动工具 汽车辅助系统 汽车启动设备d 消费电子 音响 视频和其它电子产品断电时须用记忆保持电路的产品 电子玩具 无线电话 电热水瓶 照相机闪光灯系统 助听器 超级电容在无线通讯中的应用 在无线通讯中 GSM GPRS无线调制解调器传输数据过程中 需要输出电压3V左右 输出200 300mA的电流脉冲 脉冲时间为秒级 期间还另需要一次达2A的电流脉冲 脉冲时间为毫秒级 常态脉冲电流供电可由常规型号单体电池实现 而达到2A以上的大电流脉冲则只能依靠超级电容来实现 超级电容在智能水表中的应用 传统的智能水表 在控制水阀开启和关断时 普遍采用的方法是内装锂电池 锂电池的优点在于重量轻 能量大 自放电率低等 但当电池电量不足时 不能有效监测 将无法可靠的关断水阀 造成无法计费 逃水现象等情况出现 这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点 直接影响到它的推广和使用 新方案用超级电容替换锂电池 封装在水表中 同时外接干电池供电 平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电 而当电池电压过低 或突然断电时 如取下电池 由超级电容继续为电路提供电源 同时 超级电容存储的能量足以关断阀门 新方案优点 1 将电池与水表分离 可随时更换 延长水表寿命 2 超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性 超级电容在电动汽车中的应用 电动汽车的辅助动力 改善汽车的启动性能 超级电容在汽车辅助系统中的应用 汽车频繁的起步 爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大 在城市工况下更是如此 传统公交车和卡车的引擎 通常是柴油机 持续不断地给车辆加速和减速 会产生高度有害的排放且引擎的动力效率很低 对于纯电动 燃料电池和串联混合动力汽车而言 要么汽车动力需求不足 要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流 这无疑会大大损害电池 燃料电池或其它动力系统辅件的寿命 如果使用超级电容 当瞬时功率需求较大时 由超级电容提供尖峰功率 并且在制动回馈时吸收尖峰功率 那么就可以减轻对辅助电池 燃料电池或其它动力系统辅件的压力 从而可以大大增加起步 加速时系统的功率输出 而且可以高效地回收大功率的制动能量 这样做还可以提高蓄电池 燃料电池 的使用寿命 改善其放电性能 超级电容作为唯一动力源的电容式汽车驱动结构较简单 且目前技术还不成熟 所以一般都是把超级电容作为辅助动力源 与电池 燃料电池或其它动力系统组成多能源的动力总成来驱动车辆 有关资料表明 如果超级电容的比能量达到20Wh kg 那么用于混合车将是比较理想的 常见的结构组合形式有 B C FC C FC B C ICE G C等 其中B代表电池 C代表超级电容 FC代表燃料电池 ICE代表内燃机 G代表发电机 以上都属于串联式混合驱动结构 图示为燃料电池汽车的起动过程 由于超级电容在车辆起步时提供瞬时的大功率 从而使汽车起步过程大大加快 图示为超级电容应用于电动车的典型结构 UCMS 超级电容管理系统 主要作用是管理每个单体电流的大小 防止电压超过电解质的分解电压而造成损坏 限制单体不均匀性的影响 从而使超级电容组稳定可靠的工作 提高超级电容组整体的效率和寿命 DC DC一般为电流型升压变换器 主要作用是控制电容器的能量输入输出 协调超级电容电压和电池电压 车用蓄电池 超级电容复合电源系统集成强大的运行电力供应和良好的启动 制动特性 超级电容可在0 3sec内实现瞬间启动或完全制动 当车辆动力瞬时增加 如加速或爬坡 可由复合电源系统提供高达2kW的瞬时强大电力负载 当动力需求较低或车辆减速 制动时 可将制动产生的多余能量由储存系统进行充电从而实现能量回收 Maxwell的超级电容 BOOSTCAP ISE SanDiego CA 超级电容器与胶体铅酸电池作为车用电源的应用比较表 数据来源 上海奥威用户评价报告 超级电容在汽车启动系统中的应用 汽车用蓄电池是启动专用蓄电池 可高倍率放电 但以超过10C的高倍率放电仍会使其性能变得很差 且对蓄电池的损伤也很明显 如用12V 45Ah的蓄电池启动1 9升柴油机的汽车 其电压在启动瞬间由12 6V直降3 6V 启动瞬时电流达550A 约为12C的放电率 将超级电容 450F 16 2V 与蓄电池 12V 45Ah 并联使用可显著改善启动性能 启动瞬间电压跌落由仅采用蓄电池时的3 2V提升到7 2V 启动电流从560A提高到1200A 启动瞬