超级电容与电动车

徐长发，华中科技大学，2017.2.15

超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，温度适应性也很好，是一种理想的电源。它能否用于电动车，是人们都在关切的问题。

1.普通电容器原理

两块金属平板给定电位差，平板之间是绝缘材料，那么由于电荷在平板与平板之间不能流动，绝缘材料两侧的平板表面就储积了电荷，这就是电容器的储电原理。如果把两个电极接通，电容器就会把储集的电荷释放掉。

电容量的大小与电极平板的面积有关，电极的面积越大，容电量越大。平板之间的距离要保证电极之间的电荷不被击穿。参见图1.  

为了获得较大的电容量，传统电容器采用增大电极平板面积的办法，例如用较长的铝膜做电极材料，绝缘材料（或称介质材料）采用很长的塑料薄膜、纸等，再把它们卷制起来。

普通电容器的性能由两个重要的参数来衡量。

最高承受电压。由于绝缘材料（介质材料）的限制，普通电容器所承受的电压是较低的，电压高了就会击穿电极之间的绝缘材料。

电容量。是指容纳电荷的多少。由于电极面积的限制，所以普通电容器的电容量都较低的。附，电容量大小的几个名称：

1法拉（F）=1000毫法(mF)， 1毫法(mF)=1000微法（μF）， 

1微法拉(μF)=1000皮法(pF)

普通电容虽然有多种类型，但由于电容量小，所以一般都是用于弱电流系统中，在大功率驱动中普通电容不能用。

本文仅对大容量的能用于动力驱动的电容和电池感兴趣。

2.超级电容器的原理

做两个箱体，每个箱体中放置多孔的活性炭和导电碳黑做电极，箱体中充满电介质；两个箱体（电极）之间用薄的绝缘材料隔开，这就是所谓的超级电容模型，又称为双电层电容器。

超级电容是怎么工作的？由于电极材料是多孔的活性炭，它有密密麻麻的小孔，这就极大的增加了电极的面积。在极板上加电，整个电介质都被极化了，电容正极吸引电介质中的负离子，电容负极吸引电介质中的正离子，电极的所有小孔表面都吸附着电离子。所以超级电容实际上就是两个存储电离子的存储体，是立体的存储体，这样做出来的电容量就会很大。当电极之间接上负载时，电荷在电解质中移动，通过电极放电。参见图2.

图2。超级电池的构造示意图

3.超级电容的性能会与那些因素有关？

1）电极材料的面积。电极材料的表面积越大，吸附的电离子越多，储电的能力就越大。

2）电极材料的导电性。电极材料导电性好，吸附在电极表面上的电离子会快速移动到电极中，放电速度就会变快，放电的电流也就会增大。

3）电介质的性质。电介质起到了把电离子与电离子隔开，电离子与电极隔开的作用，所以电介质导电性能好，电容的内阻小，放电的电流大，放电速度快。如果电介质导电性能差，电容内阻就大，放电电流就小，放电速度就慢。

4.超级电容的多孔电极怎么做?

超级电容器的关键是多孔电极，不同的多孔电极会带来不同的电容性能，所以全世界都在研究能适用于各种应用的多孔电极材料。总的来看，超级电容器的多孔电极一般分为两类。

1）两个对称的电极。最普通最常用的正负极都是用活性炭做的，且是对称的。可以把活性炭粉、导电碳黑和胶搅拌成糊状，再烘烤成块，加上电介质，就做成多孔电极了。不过，由于活性炭的导电性能不是很好，所以这样的超级电容器的内阻比较大。虽然储电量不小，但是放电能力还不够强大。

2）两个电极不对称。正极可采用过渡金属氧化物，例如用氢氧化镍煅烧成氧化镍块做正极，用氧化锰做正极，负极采用活性炭。正极也可以采用导电聚合物做出。这种超级电容器的工作电压会提高，工作电流也会增大。

还有多种多样的方法，都可做出各种各样的多孔电极。当然，多孔电极的比表面积越大越好。不同材料的电极决定了导电率和电容的内阻，从而决定了超级电容器的不同的性能（承受电压大小，放电的电流大小）和不同的使用范围。

5.现在的超级电容器有哪些规格的产品？

超级电容器可以做成任意形状。现在一般可见的超级电容器,容量为0.1F～1000F，额定电压为2～4伏.特别值得一提的是，我国已经成功地制造并使用了9500F（2.7伏）和12000F（3伏）的单体超级电容器。也研制出了电容量为0.2F-600F，工作电压为14V-400V，最大电流为400A-2000A的超级电容。

6.超级电容器超级在什么地方，它有哪些优点？

1）充电速度快。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。而蓄电池则受自身化学反应限制，工作在较窄的电压范围，过快充电不行，过放还可能造成永久性破坏。超级电容充电时间仅需10秒～10分钟。铅酸电池充电时间是4～8小时。锂电池3～5小时。

2）大电流放电时间短而且能力超强，能量转换效率高，过程损失小。放电的电流可达很大，把储电泻放也没有问题。对蓄电池来说，放电的电流不能太大，否则会损坏电池。   

3）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次，没有“记忆效应”。铅酸电池的使用寿命为500次充放电（全充全放） 锂电池的使用寿命为1000次充放电。 

4）功率密度高。所谓功率密度是指，电容或电池的输出功率与其体积之比。超级电容的功率密度可达300W/kg～5000W/kg，相当于锂电池的数十倍，也就是说超级电容体积小，蓄电多，做功能力强。现在，超级电容器的比能量也大大提高了，可达10 KWh/kg，还可以更高，而铅酸电池一般只能达到0.02kWh/kg。   

5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。铅酸电池和锂电池都会造成一定的环境污染。   

6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。

7）超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响。如果电池反复传输高功率脉冲，其寿命大打折扣。   

8）超低温特性好，温度范围宽，在-40℃～+70℃可以正常工作。  铅酸电池工作温度是-5～+45℃。锂电池工作温度是-20～60℃。  9）检测方便，剩余电量可直接读出。   

10）容量范围大。地球的电容值仅有1～2F左右。一节铅酸蓄电池12伏14安时的放电量=14*3600/12=4200 法拉(F)，一个单体的超级电容的容量10000F也不难做。例如，我国的HCC品牌的超级电容器，容量可在0.06F～10000F 之中选择，也可定制10万F的单体超级电容器。 

7.超级电容有哪些应用 

超级电容器的应用范围非常广泛，下面简单的举例说明。

1）用于小电流，长时间持续放电方面。

----计算机存储器后备电源，以前是用蓄电池，现在可以全部采用超级电容器。

2）用于几秒钟充电，几分钟放电的电器方面。

----电动工具、电动玩具的电源。

----闪光灯电源。

----低温环境下车辆的启动电源。  

3)用于提供瞬时功率输出方面。

---发动机或其它不间断系统的备用电源的补充。   

---汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持。

---电动车的起步、加速、爬坡电源。

---高压开关的分合闸操作电源。

---起重装置的电力平衡电源。

4)用于小电能的储集方面。

---太阳能风能发电，虽然能量充足，但在功率不足时，可以利用超级电容把电能储集起来。

---车辆制动，车辆下坡的能量，可转化为电能储集在超级电容器中。   

5)在和蓄电池并联使用方面。 

---把蓄电池和超级电容器并联，可缩短电池的充电时间，可扩充电池容量。在动力驱动时，不仅可改善电池的启动性能，还可以在大电流工作时保护蓄电池。

6）在瞬时特大功率 的应用方面。

----激光武器的脉冲能源。 

8.超级电容器与电动车

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，人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。现在，已经进行了锂电池驱动的电动车的研究与开发，取得了一定的成效。但是由于锂电池固有的缺点，例如续航能力差、寿命短、温度特性差、污染环境、造价高昂等致命弱点，锂电池电动车一直没有走向市场。当然，如果做出石墨烯锂电池，电动车（电动汽车）走向市场是有希望的。我们在这里讨论的是，用超级电容器驱动车辆，可行吗?现在看来有两种很有希望的措施。

1）复合电源电动车。

用锂电池和超级电容器混合使用来驱动车辆，智能控制超级电容器，让超级电容器在关键的地方起作用。

第一，用速度指标来控制超级电容器。

当车辆起步时，超级电容中应当已经储存较多的能量，需要超级电容放电，保证电动车的加速性能。当车辆在高速行驶的情况下，超级电容应当储存比较少的能量，以便在制动过程中接收较多的能量。

第二，用电流指标来控制超级电容器。　　                                

电动车在行驶过程中，由于频繁地加速、减速和上下坡等原因，使得负载电流变化比较大，当负载电流太大以至于超过蓄电池所能承受的最大放电或充电电流时，为了避免电池组过放电或过充电，需要由超级电容放电或充电，以便改善电池组的工作状态，延长其使用寿命。

2）纯超级电容电动车。

直接以超级电容作为电动车的惟一能源，此方法结构简单、实用、成本低，而且实现了零排放，这也是我们所期待的。考虑到超级电容器的固有特点，单体的或者并联的一组超级电容器放电时间短，那么使用多组就可以延长放电工作时间。看来，纯超级电容电动车比较适用于短距离、线路固定的行驶特点。

例如电动公交车，每一站的路线不长，乘客上下车的时间就可以完成充电。充电的办法也简单，在电动车的车顶设置可升降的电极，在站台的车顶上方设置固定电极，很容易完成充电工作。

又例如，火车站或者飞机场的牵引车，学校和幼儿园的送餐车，公园的浏览车等，都可以采用超级电容电动车。

3）我国纯超级电容电动车的现状。

2004年7月我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行。

2006年8月28日，上海11路公交车正式运行，这是上海第一条使用超级电容驱动的公交车，车站就是充电站。

2015年7月29日，超级电容器的车站充电式公交电车在浙江鄞州区试运营。这车是本地产的，储能柜使用的是本地产的7500F单体，后改用9500F（2.7伏）单体超级电容。　　

现在，中国是唯一将超级电容公交车投入批量生产的国家，这项技术为中国自主研发，这些产品将在美国、以色列和欧洲销售。

现在，国内已经有10余家企业在研发和生产超级电容器。

相信，我国的超级电容电动车的发展一定很快。

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