大容量电容器概述

摘要

介绍了超级电容的机理与特点，概述了国内外超级电容在电动车中的应用研究现状，通过分析比较超级电容在电动车中应用的拓扑结构及控制策略，设计了一种新型的超级电容一蓄电池复合电源电动车控制系统验结果表明，该验结果表明，该复合电源电动车能兼顾蓄电池和超级电容的优点，可以更好地满足电动车启动和加速性能的要求，并能提高电动车制动能量回收的效率，增加续驶里程．以超级电容为惟一能源的电动车可以作为固定线路车使用，但配套设施还需要完善，所以发展趋势并不乐观。

关键词：蓄电池汽车启动超级电容器

基于51单片机的数字万年历的设计

Abstract

The mechanism and characteristic Of uhracapacitor are introduced．The ultracapacitorapplication status in electric vehicle(EV)at home and abroad is outlined．Analyzing the topologyand control strategy of uhracapacitor applied in EVs，a novel control system of ultracapacitor-bat—tery hybrid power EV is designed。The experimental results show that the hybrid power EV enables tOcombine the advantages of battery and uhracapacitor，enhance the start—up and accelerating per—formance of EV，improve the energy-regenerative efficiency，and increase the driving range．EVsemploying uhracapacitor as the only power may be used as fixed-line buses，but the basic facilitiesought to be imprared．

Keywords：electric vehicle；uhracapacitor；hybrid power

目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第一章超级电容 (1)

1.1超级电容的简介 (1)

1.2超级电容器的结构 (1)

1.3超级电容器的原理 (2)

1.4超级电容器的主要特点 (3)

1.5超级电容器的分类 (4)

1.6超级电容器的特性 (5)

1.7超级电容器的主要特征参数 (6)

第二章汽车启动系统 (9)

2.1汽车启动系统的组成 (9)

2.1.1蓄电池 (9)

2.1.2启动机 (9)

2.2汽车启动系统的原理 (11)

2.3影响启动机工作特性的因素 (12)

第三章设计要求 (13)

3.1发动机启动要求 (13)

3.1.1最低启动定义 (13)

3.1.2启动要求 (13)

3.2对超级电容的要求 (13)

3.2.1内阻要求 (13)

3.2.2漏电流/自放电 (13)

第四章超级电容在汽车启动系统中的应用 (15)

4.1传统蓄电池的缺陷 (15)

4.2超级电容与蓄电池并联 (16)

4.3电性能的改善 (20)

4.4蓄电池应用状态的改善 (21)

4.5启动性能的改善 (21)

4.6微型混合动力系统 (21)

第五章超级电容器的使用和前景 (24)

参考文献 (27)

致谢 (28)

第一章超级电容

1.1超级电容的简介

电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。英文名称：Capacitor，用字母C表示。电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制电路等方面。在直流电路中，电容器是相当于断路的。在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的。充电和放电是电容器的基本功能。

超级电容器，如图1.1，亦称超大容量电容器，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置。近年来，人们一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器来作为电动汽车的混合动力系统。超级电容器可以用来满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功率要求，以保护蓄电池系统，还可作为燃料电池的启动动力，做移动通讯和计算机的电力支持等。目前应用于超级电容器的材料主要有三种:碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料。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。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。

图1.1 常用的超级电容器

1.2超级电容器的结构

图1.2为超级电容器的结构图，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：

其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。

图1.2超级电容器结构框图

由图可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性炭有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。与电他相比较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电他不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。

1.3超级电容器的原理

图1.3 双电层示意图

超级电容器是利用双电层原理的电容器，其原理示意图如图1.3，当外加电

压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下)，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的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他是不同的。

1.4超级电容器的主要特点

由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点:

1. 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5OOOF。

2. 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。

3. 可以提供很高的放电电流。如270OF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。

4. 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。

5. 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。

6. 超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍锅蓄电池均具有毒性。

7. 等效串联电阻ESR相对常规电容器大(1OF/2.5V的ESB为11OmΩ)。

8. 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。

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，如图所示：

图1.4

图1.4 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。

1.5超级电容器的分类

1.根据使用目的不同可分为：

（1）启动型超级电容，即轻型超级电容，可以输出几秒钟到几十秒钟的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，5000F以下，可以几个到几百个串联使用，组件电压12VDC 到700VDC以上。

（2）牵引型超级电容，即重型超级电容，可以连续输出几分钟到几十分钟的较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，常用于各类电动汽车，机械设备，太阳能系统和电子电器中，单体容量最高可达100000F以上，可以几个到几百个串联使用，组件电压12VDC到800VDC以上。

2.根据储能方式分为：

（1）双电层超级电容器，以活性炭为正、负电极，俗称碳-碳超级电容。

（2）金属氧化物超级电容, 在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容,被称为假电容。

（3）高分子聚合物超级电容，使用导电聚合物作为电极的电容器。

双电层电容充放电纯属于物理过程，循环次数高，充电过程快，但所存储的能量较小；而后两种超级电容的产生机理中伴随电荷传递过程的发生，比能量明

显高于双电层电容，有点类似于二次电池的性质.兼顾各类电容的特点，将双电层电容和法拉第电容结合，制成不对称电极的混和超级电容。车用的超级电容器主要是这种电容器。

1.6超级电容器的特性

1.额定容量

单位:法[拉](F),规定的恒定电流(如1OOOF 以上的超级电容器规定的充电电流为100A,20OF 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，即：

I t c V

?= 由于等效串联电阻(ESR)比普通电容器大，因而充放电时ESR 产生的电压降不可忽略，如2.7V/5OOOF 超级电容器的ESR 为0.4m Ω，在100A 电流放电时的ESR 电压降为40mV 占额定电压的1.5%，在950A 电流放电时的ESR 电压降为380mV 占额定电压的14%，表明在额定电流下放电容量将为额定容量减小88.5%，这一特性将在图2.5中看到。

2.额定电压

即可以使用的最高安全端电压(如2.3V,2.5V,2.7V ，3V)，除此之外还有浪涌电压，实际上超级电容的击穿电压远高于额定电压(约为额定电压的1.5倍左右，与普通电容器额定电压/击穿电压比值差不多。

3.额定电流

5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流(脉冲峰值电流)。

图1.5 2.7V/270OF 超级电容器放电特性曲线

4.最大存储能f

在额定电压放电到零所释放的能量,以焦(J)或瓦·时(W·h)为单位。

5.储能f密度

最大存储能量除以超级电容器的重量或体积(W·h/kg 或W·h/I)。

6.功率密度

在匹配的负载下,超级电容器产生电热效应各半时的放电功率,用kW/吨或kW/t表示。

7.等效串联电阻

测试条件:规定的恒定电流(如1OOOF以上的超级电容器规定的充电电流为100A,20OF以下的为3A)和规定的频率(DC和大容量为100Hz或小容量的为KHz)下的等效申联电阻。通常交流ESP比直流ESR小，随温度上升而减小。

8.工作与存储温度

通常为-40℃至+60℃或7090，存储温度还可以高一些。

9.漏电流

一般为lOμA/F。

10.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上升度缩短的原因是电解液的蒸发程度损失随温度上升。寿命终了的标准为:电容量变化大于20%，ESR 增大到额定值的1.5倍。

11.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:电容量变化大于20%，ESR增大到额定值的1.5倍。

1.7超级电容器的主要特征参数

把超级电容等效为一个理想电容器C;与一个较小阻值的电阻(等效串联阻抗，Res串联，同时与一个较大阻值的电阻(等效并联阻抗，Rep相并联的结构。其原理如图1.6所示：

图1.6 理想超级电容器

超级电容在使用过程中会涉及到几个基本的参数：本征容量C ，最高电压max U ，最低工作电压min U ，放电效率η.本征容量和最高最低电压决定了超级电

容能够存储的有效容量.超级电容的有效储存能量用公式表示为：

22max min 1()2

w C U U =- 设min U =q max U 则

221(1)2

w CU q =- q 表征了超级电容的放电深度。在蓄电池中，过大的放电深度对蓄电池的寿命会有较大影响。而在超级电容中由于超级电容充放电主要是物理过程，因此它对超级电容的寿命基本上没有什么影响。不过在实际使用过程中，由于在电压很低时超级电容剩余能量比较少，而且在低电压时电效率比较低，所以要剩余一部分能量，一般取q=1/2。由于L R 一般比较大，可达数十千欧姆，可认为是断路。

超级电容的充电效率定义为：

12max 122max 01212t s CU CU i R dt η=

+?

超级电容放电效率定义为： 222max 022max 1212

t s CU i R dt CU η-=?

充放电效率为：

2122max 01222max 0122

t s t s CU i R dt CU i R dt ηηη-==+?? 这只是从理论上推导的充放电的效率。实际上在充放电过程中，超级电容内阻和电容值都是动态变化的，受充放电电流和温度等因素的影响，都不是定值.而且超级电容一般漏电流自放电现象比较严重，比如某50000F 超级电容漏电流为7～12 A ，在平衡点上下波动，平均漏电流约为10A 。如果该超级电容不能在短

期内放电做功，他可能由于长时问的搁置而能量内耗掉，实际上就是放电效率严重下降.因此为了准确的得出放电效率需要根据不同的超级电容在不同放电状态(此放电状态应该跟工作状态相似)进行试验。在实际过程中由于受试验条件等受

限，可以根据厂家提供的数据进行初步设计，在实践中进行改进。