超级电容器均衡方案设计综述
超级电容器研究综述
一、超级电容器的发展与进步（一）概述在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。
然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。
140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。
早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。
之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。
电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。
另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。
超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。
目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。
同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。
在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。
超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。
通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。
超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。
但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。
（二）超级电容器的原理超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。
超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的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*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*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。
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），而且电解质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），所以这种双电层结构的超级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。
目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类：●双层电容器（Double layer capacitor）由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。
该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。
一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。
●赝电容器（Pseudo－capacitor）由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。
但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代；●混合电容器（Hybrid capacitor）由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。
超级电容器的设计与性能优化
超级电容器的设计与性能优化超级电容器是一种高能量密度和高功率密度的储能设备，具有充电速度快、循环寿命长和可靠性高等特点。
在如今能源需求不断增长的背景下，超级电容器因其特殊的性能优势而成为了一种备受关注的储能解决方案。
本文将探讨超级电容器的设计原则以及如何优化其性能。
一、设计原则1. 材料选择：超级电容器的性能受到电极材料的影响。
常用的电极材料有活性炭、金属氧化物和导电聚合物等。
在选择材料时，需要考虑其比表面积、孔隙结构和导电性能等因素，以提高储能密度和电导率。
2. 构造设计：超级电容器一般由两个电极、电解液和隔膜组成。
合理的构造设计可以提高电容器的性能。
例如，优化电极结构可以增大电极表面积，增强离子传输速率。
合适的电解液选择和隔膜材料可以提高电容器的电导率和循环寿命。
3. 电容器的工作电压与电容量匹配：超级电容器的工作电压应与应用需求匹配，过高的工作电压可能导致介质击穿，从而降低电容器的可靠性和寿命。
合理的电容量设计可以保证电容器在储能和输出功率方面都能够满足要求。
二、性能优化1. 增加电极材料比表面积：通过改进活性炭材料的制备方法以及引入纳米材料等，可以有效提高电极材料的比表面积。
更大的比表面积将增加电容器的储能密度，并提高能量存储能力。
2. 优化电极结构：采用多孔结构的电极可以增加电容器的表面积，提高电荷存储容量。
此外，合理设计电极的孔隙结构，可实现更快的离子传输速率，提高电容器的功率密度。
3. 寻找合适的电解液和隔膜材料：优化电解液的离子浓度和粘度，以及选择合适的隔膜材料，可以提高电容器的电导率和循环寿命。
4. 控制工作电压和电容量：根据应用需求和电容器材料的特性，合理控制工作电压和电容量的大小，以确保电容器在长时间使用中具有较高的可靠性和稳定性。
5. 温度管理：超级电容器的性能容易受到温度的影响。
适当的温度管理可以保障电容器的正常工作。
例如，采用散热装置进行散热，降低电容器内部温度，可提高电容器的功率密度和循环寿命。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ
刚ｔｃｈ
ｎｅｔ，Ａｓ
ｒｅｓｕｌｔ，ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ａｎｄ
ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｄａｔａ．
和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电
压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器 在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此， 为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡
和高比功率输出的贮能系统。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
（６）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电
容器的可靠性是非常高的。
（７）对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环
境污染，是理想的绿色环保电源。
超级电容器的一个很大缺点是其参数的不一致【５．６】。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性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成 的，而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
ａ
ｃａｎ
ａｃｈｉｅｖｅ ｓｔａｔｉｃ
ｂｅｔｔｅｒ
ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｔ ｈａｓ
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超级电容器研究综述
一、超级电容器的发展与进步（一）概述在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。
然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。
140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。
早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。
之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。
电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。
另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。
超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。
目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。
同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。
在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。
超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。
通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。
超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。
但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。
（二）超级电容器的原理超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone 图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件,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,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。
那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10^6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
由于石油资源日趋短缺,并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重(尤其是在大、中城市),人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。
超级电容器的优化设计和制备
超级电容器的优化设计和制备超级电容器是一种高能量密度电子器件，其具有高速充放电速度、高循环寿命、广泛的工作温度范围及良好的安全性能等特点。
因此，超级电容器在储能、电源管理、汽车、航空航天、医麻的监测、军事通讯等领域得到了越来越广泛的应用。
然而，作为新型器件，超级电容器的研究和开发还存在着不少挑战和问题。
面对越来越严格的市场需求和竞争，优化设计和制备成为了推动超级电容器产业发展的必要措施。
下面从主要因素、优化方法以及制备技术等方面探讨超级电容器的优化设计和制备。
一、主要因素超级电容器的电容量主要取决于其电极材料的比表面积、极对极间的距离以及电介质的介电常数等因素。
因此，超级电容器的主要因素包括电极材料、电介质和电解液。
其中，电极材料和电介质是影响超级电容器容量的关键因素。
1. 电极材料电极材料通常分为活性碳、金属氧化物等。
其中，活性碳具有高度孔隙度、良好的导电性和化学稳定性等特点，可以作为超级电容器的优良电极材料。
除此之外，金属氧化物也是一种常见的电极材料，因为其具有高比表面积、良好的化学稳定性和较好的导电性等性质。
2. 电介质电介质是超级电容器的一种重要材料，其主要作用是隔离电极之间的电场。
因此，电介质的介电常数是影响超级电容器电容量的主要因素。
例如，陶瓷是一种传统的电介质材料，其介电常数较高，并且可以承受高温和耐化学腐蚀。
另外，有机电介质材料也是一种常见的超级电容器材料，例如聚丙烯、聚乙烯醇等，这些有机高分子具有低介电常数和良好的机械性能等特点。
二、优化方法优化方法是超级电容器设计和制备的关键。
一般来说，超级电容器的优化设计主要包括分子设计、结构设计和材料设计等方面。
下面从多种角度探讨。
1. 分子设计分子设计是一种从微观上着手，通过设计有利于分子自组装或网络形成优秀的能量储存结构。
例如，研究表明，设计新型离子液体电解质不仅可以提高电容器的储能性能，而且可以缓解我们遇到的环境污染。
此外，合成新型高分子电极材料也可以实现能量储存的优化设计。
超级电容器综述
超级电容器综述摘要：电化学超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，以其独特的大容量、高功率密度、高的循环使用寿命、免维护、经济环保等特点，受到了世人的青睐，致使许多新型的电化学超级电容器电板材料相继被发现和应用。
本文综述了超级电容器的原理、电极材料的分类、隔膜、电解液等，介绍了超级电容器的主要应用领域与发展趋势。
关键词：超级电容器原理电极材料综述Reviews of supercapacitorsAbstract：As a new kind of energy storage device, supercapacitors has large capacity, large discharge power, longer cycle service life, free-maintenance, economic and environmental protection, which is between traditional capacitors and chemical batteries. For these advantages, supercapacitors has become extremely popular with researchers, therefore more and more supercapacitor materials have been found and applied. The paper reviews supercapacitors’ principle, the classification of electrode materials, diaphragm, electrolyte, and includes the main field of application, trend of development.Keywords: supercapacitors; principle; electrode materials; review1引言电容器是一种能储蓄电能的设备与器件．由于它的使用能避免电子仪器与设备因电源瞬间切断或电压偶尔降低而产生的错误动作，所以它作为备用电源被广泛应用于声频一视频设备：调协器，电话机、传真机及计算机等通讯设备和家用电器中．电容器的研究是从30年代开始的，随着电子工业的发展．先后经历了电解电容器、瓷介电容器、有机薄膜电容器、铝电解电容器、钽电解电容器和双电层电容器的发展．其中双电层电容器．又叫电化学电容器．是一种相对新型的电容器，它的出现使得电容器的上限容量骤然跃升了3—4个数量级，达到了法拉第级(F)的大容量，正缘于此，它享有“超级电容器”之称。
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超级电容器均衡方案设计综述先
王志鹏，韦莉，顾帅，张逸成，胡燕双
【摘要】摘要:综述了各种串联超级电容器组的电压均衡技术,并总结了常见均衡控制策略，从拓扑结构、均衡速度、均衡效率、成本、复杂性、控制策略等角度对比总结了多种均衡技术的特点。
基于Matlab/Simulink仿真研究了几种典型均衡方案的性能,为超级电容器储能系统均衡方案的设计提供了参考。
分析了超级电容器在实际应用场合中的工作特点和适合的均衡方案Z并通过对超级电容器均衡技术研究现状的总结,展望了未来超级电容器均衡管理系统值得深入探索的方向。
【期刊名称】电器与能效管理技术
【年(卷),期】2015(000)018
【总页数】7
【关键词】关键词:超级电容器;电压均衡;控制策略;MatIab/Simulink仿真
0引言
超级电容器作为新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作范围宽等优点［1-2 L因此，其在城市有轨电车再生制动、智能电网电压补偿和新能源汽车混合储能系统等应用场合具有广阔前景［3 ］o然而超级电容器自身单体电压较低,在应用中往往需要大规模串并联使用［4 ］,同时由于材料、制造水平等因素的制约Z超级电容器单体间等效容值、等效串联电阻值等参数存在明显的不一致性［5 ］,导致超级电容器模块性能因木桶效应受特性最差单体制约［6 ］,还会随时间和循环次数不断增大，影响超级电容器模块输出持性和
寿命［7 ］,甚至引发故障［8 J o因此，为提升超级电容器储能模块的性。