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。

从超级电容的优越性可以看出，超级电容具有传统储能装置无法比拟的优良特点。因此，世界上已有很多公司认识到超级电容器的技术优势和潜在实用价值。而实现超级电容器实践化的关键在于突破它自身的局限性，提高超级电容器的整体性能。

4.超级电容器均衡技术解决方案

针对串联均压问题，目前常用的超级电容串联电压均衡方法分为能耗型和非能耗型两大类。

能耗型电压均衡法：

能耗型有并联电阻法、并联稳压管法、并联开关电阻法，基本思路都是将高电压单体的部分能量以热能形式耗散掉。电阻法即在超级电容两端并联电阻，通过相同阻值电阻分压保持各超级电容端电压一致；并联稳压二极管法即当电容电压达到额定值时，稳压管反向击穿利用其电压钳位的特性把电容电压保持在该额定值；并联开关电阻法是对并联电阻法的改进即当超级电容电压超过设定的参考值时，控制相应开关闭合，电流通过开关管流经旁电路电阻，从而使超级电容端电压一直。能耗型串联电压均衡方法其结构简单，可靠性高，成本低，技术成熟。但均压时能量完全耗散在电阻或稳压管上，浪费严重，同时需要考虑电阻和稳压管的散热问题。另外，电阻耗能方案中，均压电阻阻值选择要求苛刻，阻值过大则均衡电流过小，均衡过慢，但阻值过小，充电电流几乎都流过电阻，能耗大。对于小容量、低电压、小电流的应用场合，能耗型均衡是最主流的方案，但不适用于高压大功率场合。

非能耗型电压均衡法：

在忽略电路转换效率前提下，非能耗型均衡方法理论上零能耗，也是目前的研究热点。这类方法是通过将高电压单体的偏差能量馈送至电容组或某些低电压单体来实现电压均衡的，只是能量回馈和再分配的过程。适合应用在高压大功率等对效率要求高的场合。根据拓扑结构，目前主要有飞渡电容法、DC/DC 变换器法、多输出变压器法。

（1）飞渡电容法

飞渡电容法是利用一个容量很小的普通电容器作为中间储能元件,即飞渡电容器,将电压最高的单体电容的能量转移至电压最低的电容上的一种电压均衡方法。它是目前应用较为广泛的一种电压均衡方法,和其它均衡方案相比较,飞渡电容均衡法在充电均衡速度、均衡效率、系统可靠性方面都有不错的表现,其显著的特点是只需一个中间储能元件,对开关管要求不高无需高频功率开关管,继电器即可代替,而且没有重复无效的能量流动,能量始终是从电压最高的单体传递到电压最低的单体电容,从而大大降低了能量损耗,提高了均衡的速度和效率。缺点是需要的开关器件数量较多,系统体积大,控制模块需要用到或单片机等控制芯片,软件实现及控制过程较为复杂。

（2）DC/DC变换器法

DC/DC 变换器法即在每两个相邻超级电容器之间都联接一个Buck/Boost变换器，比较相邻电容器之间的电压，将电压高的超级电容器中能量通过变换器转移到电压低的超级电容器中。这种方法的优点是能量损耗低，电压均衡速度快，在充放电过程中都可以进行电压均衡。其缺点是需要的功率器件多，成本较高。

（3）多输出变压器均衡法

基于变压器结构的电压均衡法和变换器法都属于回馈类电压均衡法,但工作过程不尽相同,变压器法的基本思路是通过变压器的多个副边输出与各电容器相连,通过变压器绕组将电源能量传递给低于平均电压的单体电容,从而使各电容电压接近于平均电压,最终达到均衡。

变压器均衡方案思路简单,需要的开关管数量少,控制方便,而且具有充电均衡速度快、效率高等优势。但由于副边绕组数目多导致实际结构复杂,增加了成本,变压器内部还存在漏感,副边绕组之间存在互感,这些都在一定程度上带来能量的损耗和均衡的误差。

由以上方案可以看出,稳压管法和开关电阻法虽然具有电路简单、控制方便、节约成本等优点,但其能源的浪费和发热问题是制约这两种方法得到广泛应用的关键因素能量变换法解决了能量的消耗和发热问题,而且可以允许大电流充电,缩短了充电时间,提高了充电效率,但仍具有控制过程复杂、成本较高等缺点变压器均衡法需要的开关管数量少,控制过程简单方便,但变压器结构要求具有多输出级,实际电路结构复杂,成本较高,变压器漏感和互感的存在也同样会带来能量的损耗和均衡的误差飞渡电容均衡法无能量损耗和发热问题,均衡速度和效率高,成本较低,但其开关器件数量多,系统体积大,电压检测和开关网络控制过程较为复杂。总之，各种均衡方案都不存在绝对的好与坏,每一种均衡方法都有自己的优缺点,至于方案的选取,要根据具体的使用场合和要求来选择合适的方案。

5.超级电容器的发展趋势及展望

超级电容器早期有两个主要的应用领域, 第一个是当主能源能量不足时, 充当临时备用电源和短时间供电的应急电源。在这个应用中超级电容器充当了电池的角色, 即当主电源失效时, 作为备用能源的超级电容器充当主电源使用。第二个主要用途就是充当峰值功率电源。在这些应用中, 超级电容器为系统单独提供所需的峰值功率电源或与电池一起在连续工作时提供稳流低功率电源, 而在峰值负载时提供一个高功率脉冲。在这里, 超级电容器减弱了用电器对电池提供峰值功率的要求, 这样就可以大大延长电池的寿命, 并减小了电池的整体尺寸。

近年来, 超级电容器展现出更为广泛的应用前景。世界各国都对该技术发展与市场推广应用给予了高度重视, 特别是在发展混合动力或纯电动汽车领域的应用给予了极大关注, 并成为各国重点的战略研究和开发项目。其中超级电容器与电池联合, 可以提供高功率输出和高能量输出, 既减小了电源的体积, 又延长了电池的寿命。因此开发具有高比电容量、高工作电压、大比功率以及长循环寿命的复合电极材料以提高混合型超级电容器的能量密度和功率密度是今后努力的方向。此外对于超级电容器串联电压均衡方法的改善也是未来超级电容器研发的重点。

6.小结

尽管一些制造商研制的产品已初具规模，如美国的Max-ell 技术公司的PC2500和BCAP1101、Telcordia技术公司的UP-CAP 2500F；韩国的NESS电容器有限公司的NESS-CAP5000F等产品。但具有优良性能的超级电容器必将成为越来越受欢迎的电源产品。因此围绕高性能超级电容器模块和电压均衡方法然具有很大的研究价值。

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