新能源汽车动力电池技术课件：超级电容器结构原理

新能源汽车动力电池技术超级电容器结构原理随着电动汽车技术的发展及其在市场上的广泛使用，对电动汽车的要求越来越高。尽管电池技术从充电速率、容量和电池寿命方面都得到了显著改进，但充分应用于电动汽车仍然有很大的障碍。近年来出现一种新的元器件——超级电容

，这种新型的电子器件与一般蓄电池相比，功率密度高十倍以上，充放电功率高100倍以上，且对环境无污染。任务描述遵守职业道德，树立正确的价值观；引导崇尚劳动精神，逐步提升服务社会的意识；弘扬工匠精神，塑造精益求精的品质；

培养协同合作的团队精神，自觉维护组织纪律。知识目标技能目标素养目标学习目标掌握超级电容器的结构；能够理解超级电容器的工作原理。掌握超级电容器的主要参数；了解超级电容器的分类。010302超级电容器，又名电化学电容，是从20世纪七八十年代发展起来的通过极化电解质

来储能的一种电化学元件。超级电容器是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的

储能装置，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，所以超级电容器可以反复充放电数十万次。知识准备一、

超级电容器概述DC/DC转换器位置示意-03-(3)时间常数。如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一个电阻的简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时间常数，其单位为s，相当于将电容器恒压充电至满充容量的63.2%时所需的时间。-02-(2)电流。

对电容器进行充电后，为使电容器在某一电压处于稳定状态而从外部施加的一个电流。-01-(1)工作电压。电容器能够连续、长期地保持最大电压知识准备1.超级电容器主要参数一、

超级电容器概述-04-(4)等效串联电阻。当一个电容器被模拟为包括电感、电

容、电阻的等效模拟电路时，其

中的电阻部分即为等效串联电阻。

等效串联电阻可以利用交流阻抗技术或电流阶跃技术测试得到。-05-(5)放电容量。电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法是将放电过程中一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。知识准备1.超级电容器主要参数一、

超级电容器概述-06-(6)理想存储能量。理想存储能量是指电容器存储能量的理想值。对于一个简单的电化学电容器，其理想存储能量值可以通过E=0.5CU

来计算，式中，C为电容器

的容量；UW为电容器的工作电压。W2-07-(7)平均放电功率。平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功率。知识准备1.超级电容器主要参数一、

超级电容器概述-08-(8)最大输出功率。最大输出功率是指当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输出功率，计算公式为P=U2/4R，式中，U为电容器的初始电压；R为电

容器的等效串联电阻。-09-(9)放电效率。在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的能量的百分比。知识准备1.超级电容器主要参数一、

超级电容器概述传统电容器能以瞬间高功率将能量短时间放出来，并且在微秒内完成充电，且具有超长的使用寿命，但其极低的比能量无法达到储能元件的需求。电池可将化学能转换成电能，

比能量较高，已得到广泛的应用，但转换过程受化学反应动力学限制，充放电时间长，若电池材料发生不可逆变化会导致寿命缩短。2.超级电容器与蓄电池性能比较知识准备一、

超级电容器概述项目传统电容器超级电容器电池充电时间10−6~10−3s1~60

s1~3

h放电时间10−6~10−3s1~60

s≥0.5

h质量比能量/(W·h/kg)<0.11~2020~100比功率/(W/kg)>10001000~1000050~300充放电效率约1.00.9~1.00.75~0.95循环寿命/次>106>100000500~2000与传统电容器相比，超级电容器的比能量是传统电容器的10

倍以上；与电池相比，具有更高

的比功率、充放电时间短、充放

电效率高、循环寿命长等优点。2.超级电容器与蓄电池性能比较知识准备一、

超级电容器概述超级电容器性能对比(1)根据储能原理分类根据储能原理，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层。知识准备一、

超级电容器概述3.超级电容器分类01(1)根据储能原理分类而当两极与外电路连通时，

电极上的电荷产生迁移而在外电路中形成电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。(a)

结构

(b)

工作原理双电层电容器结构及工作原理知识准备一、

超级电容器概述3.超级电容器分类01(1)根据储能原理分类法拉第准电容器是电活性物质在电极表面、近表

面或体相中的二维或准二维空间上进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。当电解液中的离子在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。3.超级电容器分类知识准备一、

超级电容器概述01(2)根据电解质种类分类根据电解质种类不同，可将超级电容器分为水基溶液超级电容器和有机电解液超级电容器。水基溶液超级电容最大优点是内阻很低，使其可以获得较高的比功率。另一个优点是提纯和干燥加工工艺简单，降低了超

级电容的总成本。缺点在于水的分解电压比较低，水基超级电容电压无法超过2V。知识准备一、

超级电容器概述3.超级电容器分类02(2)根据电解质种类分类有机电解液的优点是可以提高超级电容的单体电压，使之达到2.0V以上，电容电压可以稳定在2.30V，瞬时甚至可以达到2.7V。因此使用有机电解液的电容比能量比较高，可以达到18W·h/kg。缺点是使用有机电解液必须采用特殊的净化工艺，且电极上必须覆盖特定涂层以避免对电极腐蚀；另一个缺点是电解液的电离比较困难，所以电阻比较大，通常是水溶液的20倍以上，甚至达到50倍，因此比功率指标较低。知识准备一、

超级电容器概述3.超级电容器分类02超级电容器与电池结构相似，超级电容器单体主要由电极、电解质、集电极、隔膜、连接线柱、外壳等组成。其中电极、

电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将决定最终产品的类型与特性。知识准备二、超级电容器的结构超级电容器结构电极的作用是产生取电层电容/准电容以及积累电荷，通常用电极活性物质、导电剂、黏结剂、分散剂等按一定的比

例混合均匀涂在集流体上经压制而成。知识准备二、超级电容器的结构电解质材料可分为固体电解质和液体电解质，其中液体电解质根据所用的溶剂不同，可以分为水溶液、非水有机电解质溶液和室温离子液体等，固体电解质也可分为无机固体电解质和有机固体电解质两类。隔膜起到机械隔离正、负电极防止短路的作用，常用的有PP隔膜、PE隔膜、PP/PE复合膜、无纺布、纤维素纸等。知识准备二、超级电容器的结构超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备1.超级电容器工作原理双电层电容工作原理1由于活性碳材料可达2000m2

/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)，所以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，从而使单位质量的电容量可达100F/g。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备1.超级电容器工作原理双电层电容工作原理2并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或并联以提高输出电压或电流。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备1.超级电容器工作原理(1)高功率性能的峰值功率辅助汽车整车系统对峰值功率的需求不断增长。即便是笨重而庞大的电池，只要不影响它们的使用，电池就能够在较长时间里提供相当大的电流。但令人遗憾的是电池不能承受过大波动、反向连接和深度放电等不当操作。此外电池的充放电周期与超级电容器相比也差许多。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备2.超级电容器的应用(1)高功率性能的峰值功率辅助电池只能承受数千次充放电周期，而超级电容器则能完成几十万次充放电周期。综合考虑所有这些因素，很显然，超级电容器是高性能峰值功率应用的理想技术。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备2.超级电容器的应用(2)短时后备电源为进一步降低二氧化碳的排放，汽车厂商需要进一步提升汽车的电气化程度。此外舒适安全方面的创新也会带来全新的整车系统架构，以便为这些最新功能提供支持。这些新功能将对驾驶员安全性和整体体验起着关键作用。

因此它，为了解决主电源(电池)无法供电的情况，这些设备需要可靠的后备电源解决方案。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备2.超级电容器的应用(2)短时后备电源超级电容器具有超长使用寿命，很少甚至无需维护，而且还能在宽泛的温度范围内工作，因此成为了汽车应用中后备电源的理想方案。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备2.超级电容器的应用(3)制动能量回收系统制动能量回收系统是先采集能源，然后供后续再利用。采集的能量主要来自车辆制动系统的动能，随后用于加速或是用于支持车辆架构中的辅助性负载。超级电容器作为储能装置，为这些应用提供了理想的解决方案。超级电容器具有高功率能力，可更高效地回收并存储能量，尤其是在猝发能量的条件下。三、超级电容器的工作原理及应用知识准备2.超级电容器的应用(4)启停系统启停系统以发动机、制动和电源管理等智能组合为基础，能在发生交通阻塞停滞不前时，或是在遇到红灯时关闭内燃机。一旦驾驶员松开离合器或是踩下油门，系统就会自动重新启动发动机。汽车短