超級電容技術分析及其在汽車領域和其他領域的應用

1、超級電容技術分析及其在汽車領域和其他領域的應用無論如何稱呼，超電容(ultracapacitor)或者超級電容(supercapacitor)這類新型電容都比傳統(tǒng)的電容器的電容大得多。直接地說，您現(xiàn)在可以購買到額定值為510F/2.5V的徑向引線式板載電容、額定值為120150F/5V的閃光燈電池大小的電容，更大的單電容可以達到6503000F/2.7V的電容值。注意，所有這些電容器的電容值都是以法拉為單位的。而在不久以前，兩千微法的器件就被認為是大電容了。如果您需要更多種類的電容，您可以訂購電容額定值為20F到500F、電壓額定值為15V到390V的各種電容器現(xiàn)貨。如果采用適當?shù)拇?并聯(lián)組合

2、，您甚至可以用這類電容驅(qū)動一輛巴士(bus)對，不是電路板上的布線，而是載人的巴士汽車。(盡管混合燃料系統(tǒng)、化學電池和燃料電池指日可待，但是它們遲遲沒有正式投入使用)。在研發(fā)超電容時，人們并沒有發(fā)現(xiàn)什么新的物理定律。實際上，有關超電容的原理仍然要追溯到德國物理學家赫爾姆霍茲。與普通電容器一樣，超電容也是采用在兩個“極板”之間儲存電荷的形式來儲存能量的。電容值的大小與極板的面積以及兩極板之間所用的介電材料成正比，與兩極板之間的距離成反比。但是，超電容的原理有所不同。在用超電容實現(xiàn)巨大的電容之前，我們就已經(jīng)掌握了電解化學(electrolytics)的原理。超電容不是電解化學，但是了解電解化學有助

3、于我們認識超電容這一新型的技術。之所以稱之為電解化學，是因為它的一個(或兩個)“極板”是在金屬襯底的表面形成的非金屬電解質(zhì)。在制造過程中，電壓驅(qū)動電流從陽極金屬板通過導電的電鍍槽流向陰極。這樣就會在陽極的表面產(chǎn)生一層絕緣的金屬氧化物電介質(zhì)。在電解化學中，當把電極浸入到電解溶液中時，會在電極分界面上出現(xiàn)電荷累積和電荷分離的現(xiàn)象。電解液中反向帶電離子的累積補償了電極表面的剩余電荷。這一分界面稱為赫爾姆霍茲層(Helmholtz layer)。 超電容的結(jié)構不再是那種中間填充介電材料的平板電極(或者卷成管狀的平板電極)結(jié)構就像三明治中間的花生醬。在超電容中，電荷的充/放電發(fā)生在電解質(zhì)中多孔碳精材料或

4、多孔金屬氧化物之間的分界面上。Helmholtz層引起了一種稱為雙層電容的效應。當把一個直流電壓加載到超電容中多孔碳精電極的兩端，用于電荷補償?shù)年栯x子或陰離子就會在帶電電極周圍的電解液中發(fā)生累積。如果分界面上不出現(xiàn)電子遷移，那么“兩層”分離的電荷(金屬一側(cè)的電子或電子空穴，以及界面邊界電解液一側(cè)的陽離子或陰離子)就會出現(xiàn)在分界面上(如圖1所示)。圖1：超電容實質(zhì)上包含兩個極板和一塊懸掛在電解液中的隔板。正極板吸引電解液中的陰離子。負極板吸引陽離子。這形成了所謂的電化學雙層電容(EDLC)，其中具有兩層電容式存儲結(jié)構。Helmholtz-region電容的大小取決于多孔碳精電極的面積以及電解液中

5、的離子容量。雙層電極上每平方厘米的電容大小是普通介電電容的10000倍。這是因為雙層電極中電荷之間的距離大約只有0.3到0.5nm，而電解化學中這一距離為10到100nm，云母電容或聚苯乙烯電容為1000nm。我們已經(jīng)對這種“雙層”電極的原理有所了解。但是，這種雙層結(jié)構降低了實際器件應該達到的理論電容值，因為超電容包括一對電極，每個電極的面積只有總面積的一半。另外，超電容實際上是兩個電容相串聯(lián)而成的。因此，超電容的實際電容值只有根據(jù)電極面積和離子容量計算出來的理論電容值的四分之一。電池與超電容有些文獻喜歡將電池和超電容混為一談，掩蓋了二者很多重要的差異：電池存儲的是以瓦時計算的能量，電容存儲的

6、是以瓦特計算的功率。電池以長時間恒定的化學反應來提供電能，充電時間相對較長，對充電電流的特性要求比較苛刻。相反，電容的充電是通過加載在其兩端的電壓來完成的，充電速度在很大程度上取決于外部電阻。電池能夠在較長一段時間內(nèi)以基本恒定的電壓輸出電能。而電容的放電速度很快，輸出電壓呈指數(shù)規(guī)律衰減。電池只能夠在有限的充/放電次數(shù)內(nèi)保持良好的工作狀態(tài)，充/放電的次數(shù)取決于它們放電的程度。電容，尤其是超電容，可以反復充/放電達數(shù)千萬次。(這也是超電容不同于電解化學的一個重要方面它們不像電解化學的工作過程那樣具有電極板充放電次數(shù)的限制。)電池比較笨重，電容比較輕巧。電池與電容的很多差異可以用Ragone圖來形象

7、地說明(如圖2所示)。Ragone圖常用于分析，但是實際上，Ragone圖是Y軸上的能量密度(單位是Wh/kg)與X軸上的功率密度(單位是W/kg)二者之間的雙對數(shù)(log-log)關系圖。由于是雙對數(shù)坐標圖，放電時間可以表示為直線對角參數(shù)。圖2：Ragone圖表示儲能器件的能量密度與功率密度之間的對數(shù)-對數(shù)關系，其中放電時間表示為斜對角線。該圖也十分便于比較電池與超電容的特性。圖2中的Ragone圖表示不同種類的化學電池(聚集在圖的左側(cè))和不同種類的電容(圖的右側(cè))之間的差異。根據(jù)Ragone圖綜合來看，這些特性使得電池和超電容之間構成了互補的而不是對立的關系。實際上，這就是它們得以普遍應用

8、的原因。最新應用超電容最主要的應用是用來穩(wěn)定直流總線電壓。超電容已在汽車領域得到了廣泛應用，用于保護各種引擎控制部件和微控制器免受瞬態(tài)負載突變導致的電壓暫降的干擾。(電壓尖脈沖由其他方法來處理。)這些瞬態(tài)負載突變通常與發(fā)動機有關。但是，如果車載娛樂系統(tǒng)的揚聲器輸出功率比較強，那么這種負載也可能來源于音頻脈峰。與在車載娛樂系統(tǒng)的12V電壓輸入端簡單放置一個超電容不同的是，一份來自澳大利亞超電容制造商Cap-XX的應用說明給出了一種增大D級輸出放大器H橋電壓的方法(如圖3所示)。其中采用了一個小型的升壓轉(zhuǎn)換器，將偶然脈峰所需的功率存儲在一對超電容內(nèi)。圖3：在汽車電子應用領域，超電容常與微控制器結(jié)合

9、使用，以保護它們不受總線電壓突降的影響。圖中的應用實例進一步采用了一個小型的升壓轉(zhuǎn)換器對兩個超電容進行“升壓”，之后這兩個超電容為D級音頻放大器中的H橋供電。另外在交通運輸領域，超電容具有快速吸收和釋放能量的能力，比電池更適合于實現(xiàn)再生制動機制。大多數(shù)這類用途已經(jīng)在公共運輸行業(yè)得以應用(如圖4所示)。德國曼海姆市輕軌系統(tǒng)中的Bombardier有軌電車采用600個2600F的超電容組實現(xiàn)了制動能量回收機制。所存儲的能量被用于車輛的加速推進以及無動力路段和交叉路口的動力銜接。這是一種全電氣化的軌道系統(tǒng)，回收的剎車能量減少了所需的輸電網(wǎng)絡。從這一點上來看，該原型系統(tǒng)證明能夠達到30%的節(jié)能效果。圖

10、4：在交通運輸系統(tǒng)中，超電容對于再生制動技術是非常有用的，因為它能夠存儲車輛制動的能量并在需要的時候釋放大量的能量。曼海姆將超電容安裝在有軌電車的車身上，另外一種方法就是將超電容安裝在軌道兩旁。在演示這一實現(xiàn)方法時，西門子運輸系統(tǒng)公司在其Sitras SES系統(tǒng)中采用超電容實現(xiàn)了制動能量的回收裝置，并應用于科隆和馬德里的地鐵線路上。在典型的軌道旁實現(xiàn)方案中，超電容能夠吸收半徑3km以內(nèi)所有列車的制動能量。在美國的混合交通運輸應用中，運行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在車輛毛重情況下，這種巴士能夠在17秒以內(nèi)實現(xiàn)0到31mph的加速度

11、，并且能夠達到62mph的最大速度。有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，基于超電容的系統(tǒng)相比基于電池的混合電動系統(tǒng)具有更高的平均燃料效率。利用這種超電容加上電池設計的混合巴士汽車能夠回收38%的推進能量，這相當于將燃料效率平均提高了3.9英里/加侖。ISE研發(fā)了自己的熱控模塊，每個模塊采用了144個18F的超電容。這種模塊在400A的電流下能夠提供360V的電壓。一對這樣的模塊相互串聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)720V的額定電壓(800V峰值電壓)。這種雙組件結(jié)構支持高達300kW功率水平下的充放電周期，能夠存儲約0.6kWh的能量。再生制動技術能夠回收動能。這類應用還能夠回收勢能。最近的一個實例是應用在鏟車上，但是更廣泛的潛在

12、應用市場是建筑電梯系統(tǒng)。在鏟車應用領域，General Hydrogen推出了一種新型的“Hydricity Packs”燃料電池系統(tǒng)，其大小能夠直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)設備中的鉛蓄電池。其中的超電容組能夠在每次裝卸叉攜帶托盤下降時存儲勢能，在提升重物需要增強功率時釋放能量。圖5給出了典型的鏟車功率使用分布圖，很好地說明了燃料電池和超電容二者的協(xié)同作用。圖5：鏟車在降下貨物時可以捕捉并存儲相應的勢能，這些能量可用于將其他貨物抬升到較高的存貨區(qū)。該鏟車能量的時間關系圖表示氫燃料電池與超電容陣列分擔負載的情況。短暫的放電時間對某些超電容應用是有積極作用的。在歐洲的風力農(nóng)場中，最新的風電渦輪葉片直徑達到了1

13、60ft，輪軸距離地面250ft高。在風力較大時，葉片轉(zhuǎn)速較快，以免渦輪發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn)。這需要為每個葉片設置大扭矩的調(diào)節(jié)電機以及相應的電源。盡管可以利用鉛蓄電池實現(xiàn)這種系統(tǒng)，但是人們在設計風力渦輪時采用了超電容。電池可能需要定期的維護，而超電容卻不需要。當然，維護電池的工作需要雇用一些熟練的服務人員攀爬塔架。他們必須專注于繁重的維護工作，不斷在幾千座塔架上爬上爬下，才能對電池進行有效的維護。電路設計超電容、電池、燃料電池和太陽能電池板的相互結(jié)合產(chǎn)生了很多新穎的設計方案。最近在達拉斯召開的功率電子技術大會上發(fā)表的論文中介紹了很多這類方案，代表了該技術的當前最新發(fā)展水平。在一篇名為“Storing

14、Power with Super Capacitors”的論文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便攜式應用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的無線數(shù)據(jù)卡，在數(shù)據(jù)信號的傳輸過程中需要峰值電流的支持，而這種峰值電流超出了PC卡、CF卡或USB標準的范疇。DeLurio還發(fā)現(xiàn)在手機相機的LED閃光照明裝置上也存在類似的問題。他說，“設計者的面臨挑戰(zhàn)在于如何以一種最有效的方式將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器和超級電容互連起來，限制超級電容的充電電流，在負荷事件之間對電容不斷進行重新充電?！盌eLurio認為，超電容的問題在于它

15、們的ESR(equivalent series resistance，等效串聯(lián)電阻)較低。當最初電容放電之后，它對于充電電路而言就像是一個低值電阻。由此而產(chǎn)生的瞬間起峰大電流實際上造成了電池的短路。此外，他指出，“所有這種類型的電路都需要短路、過壓和電流保護機制。”設計者可以采用電阻串聯(lián)的方式來限制電流，但是這種方案會導致電容的充電時間太長而無法接受。DeLurio介紹了一種PC卡應用，其中為限制PC卡主機/卡通信電流而設置的電阻使得充電時間達到了7分鐘的量級。在主機/卡通信之后采用更大的電流可以縮短充電時間。實際上，如果將這一原理進一步擴展，那么在電容充電的過程中可以采用某種方式在一連串電阻

16、上進行切換，從而達到控制電流的目的。但是這種方法“要求必須對切換點的時機進行精確的控制，這可能需要非常精準和昂貴的電阻，或者采用額外的電壓檢測器進行監(jiān)測，” DeLurio說，“而且，當電容完全充電并將PC卡拔掉時，存儲在電容內(nèi)的能量足以損壞插腳?！毕喾?，DeLurio介紹了Analogic Tech推出的一種新型“智能開關”。AAT4620型限電流P溝道MOSFET電源開關是針對無線卡超電容應用而特別設計的。它有兩套獨立的、電阻可編程的電流限制電路，以及受控于AAT4620核心溫度的功率環(huán)路。Microchip公司的Keith Curtis發(fā)表的“Super-Capacitor Power

17、Storage”一文首先指出，采用線性充電器對超電容進行充電是無效的。他接著介紹了一種經(jīng)過改進的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器(如圖6a所示)作為合適的充電電路，因為這種電路能夠“調(diào)節(jié)電容的充電電流，與輸出電壓無關使用電壓反饋作為判斷充電是否完成的依據(jù)。”圖6：為了在衛(wèi)星系統(tǒng)中同時集成電池、太陽能電池板和超電容，Microchip和AMSAT的設計人員采用了一種改進的開關式降壓轉(zhuǎn)換器對超電容進行充電(a)。通過升壓轉(zhuǎn)換器的放電將會使超電容正常的指數(shù)式放電曲線趨于平坦，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的方式(b)采用了很多相同的元件。這種電路的效果與DeLurio之前介紹的類似，但是更具通用性。對于該電路的工作方式

18、，“電流通過比較電感器中的電流與兩個固定的電流值來進行調(diào)節(jié);一個是預期的最大電流，另一個是最小電流，” Curtis說?！白畛酰姼衅髦恍韬芏痰臅r間就能夠從最小電流上升到最大電流，因為電感器上的電壓處于最大值。放電時間將會相應延長，因為電感必須放電到一個相對較低的電壓值，”他指出，“但是，隨著電容內(nèi)電荷的增加，電壓差將會下降增大上升時間電容電壓將會升高，縮短放電時間?！盋urtis指出，開關頻率取決于“采用兩個比較器和一個SR觸發(fā)器的張弛振蕩器，555-timer-style系統(tǒng)”，因此，電感器的元件值決定該頻率的大小。然后，Curtis采用類似的邏輯實現(xiàn)了一種開關式的升壓電路，用于將電容的輸

19、出電壓轉(zhuǎn)換為一個合理的恒定負載電壓。最終，Curtis實現(xiàn)了一種降壓/升壓充-放電的組合電路，其中采用一個開關MOSFET取代了充電電路中的回掃二極管(如圖6b所示)，采用一個PIC微控制器實現(xiàn)控制功能以及大部分必需的外設功能。Microchip與以業(yè)余無線電衛(wèi)星研發(fā)為目標的非營利性私有機構AMSAT-NA開展了項目合作。AMSAT的下一個大型項目Eagle衛(wèi)星，計劃于2009年3月發(fā)射。為了確保Eagle能夠連續(xù)工作幾十年，其電源系統(tǒng)將在這項工作的基礎上，將太陽能電池板、鋰離子電池和超電容集成到一套電源系統(tǒng)中，實現(xiàn)每種元件的優(yōu)化使用。超級電容器最大優(yōu)點：短時間高功率輸出超級電容器是一種電化學

20、元件，儲能過程并不發(fā)生化學反應，且儲能過程是可逆的，因此超級電容器反復充放電可以達到數(shù)十萬次，且不會造成環(huán)境污染。另外，它具有非常高的功率密度，為電池的10-100 倍，適用于短時間高功率輸出，充電速度快、模式簡單，可以采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程，是真正意義上的快速充電。充放電過程中發(fā)生的電化學反應具有良好的可逆性，低溫性能優(yōu)越，超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行，容量隨溫度的衰減非常小。超級電容器的特性總結(jié)如下：（1）高功率密度。超級電容器的內(nèi)阻很小，并且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的快速貯存和釋放，因而它的輸出功率密度

21、高達數(shù)kW/kg，是任何一個化學電源所無法比擬的，是一般蓄電池的數(shù)十倍。（2）充放電循環(huán)壽命很長。超級電容器在充放電過程中沒有發(fā)生碘化學反應，因而其循環(huán)壽命可達數(shù)萬次以上，遠比蓄電池的充放電循環(huán)壽命長。（3）充電時間短。超級電容器最短可在幾十秒內(nèi)充電完畢，最長充電不過十幾分鐘，遠快于蓄電池的充電時間。（4）妥善解決了貯存設備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。一般來說，比能量高的貯能體系其比功率不高，而一個貯能體系的比功率高，則其比能量就不一定很高，許多電池體系就是如此。超級電容器可以提供1-5kW/kg 的高比功率的同時，其比能量可以達到5-20Wh/kg。將它與蓄電池組結(jié)合起來，可構成一個兼

22、有高比能量和高比功率輸出的貯能系統(tǒng)。（5）貯存壽命長。超級電容器充電后，雖然也有微小的漏電流存在，但這種發(fā)生在電容器內(nèi)部的離子或質(zhì)子遷移運動是在電場的作用下產(chǎn)生的，并沒有出現(xiàn)化學或電化學反應，沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)，且所用的電極材料在相應的電解液中也是穩(wěn)定的，因此超級電容器的貯存壽命幾乎可以認為是無限的。（6）高可靠性。超級電容器工作過程中沒有運動部件，維護工作少，因此超級電容器的可靠性非常高。超級電容器的用途非常廣泛，既可以應用于消費類電子產(chǎn)品領域，又可以應用于太陽能能源發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)、新能源汽車、工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)等領域。超級電容技術原理1超級電容器也屬于雙電層電容器，它是世界上

23、已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空（相對介電常數(shù)為1）或一層介電物質(zhì)（相對介電常數(shù)為）所隔離，電容值為：C = A / 3.6 d 10-6 (F)其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度所儲存的能量為：E = 1/2 C （V）2 其中C為電容值，V為極板間的電壓降?？梢姡粝氆@得較大的電容量、儲存更多的能量，必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d。" E  e- s7雙電層電容器中，采用活性炭材料制

24、作成多孔電極，同時在相對的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，當在兩端施加電壓時，相對的多孔電極上分別聚集正負電子，而電解質(zhì)溶液中的正負離子將由于電場作用分別聚集到與正負極板相對的界面上，從而形成兩個集電層，相當于兩個電容器串聯(lián)，如圖所示：由于活性碳材料具有1200m2/g的超高比表面積（即獲得了極大的電極面積A），而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm（即獲得了極小的介質(zhì)厚度d），根據(jù)前面的計算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使利用電容器進行大電量的儲能成為可能。2產(chǎn)品分類：超級電容器完全不同于傳統(tǒng)的電解電容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其單體容量能夠超過傳統(tǒng)電容器的1000倍以上，在0.6升的體積內(nèi)就能夠達到10000F以上的容量，兼具電池與電容的雙重特性，成為一種性能極佳的動力電源。超級電容器滿足了市場對高頻率、大強度、高循環(huán)次數(shù)、并符合環(huán)保政策的動力電源的需求，在機械、電子、汽車、太陽能等領域有著極好的發(fā)展前景。根據(jù)使用目的不同，超級電容器可以分為以下兩類（1）啟動型超級電容器：即輕型的超級電容器，可以輸出幾秒