【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 超級(jí)電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類的超級(jí)電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結(jié)構(gòu)，超級(jí)電容器在結(jié)構(gòu)上與電解電容器非常相似，它們的主要區(qū)別在于電極材料，如圖所示： 在結(jié)構(gòu)上，超級(jí)電容器和電池或電解電容器的主要區(qū)別是電極材料早期的超級(jí)電容器的電極采用碳，碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級(jí)電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，一般容值范圍為1～5000F。 超級(jí)電容器的分類：（1）啟動(dòng)型超級(jí)電容，即輕型超級(jí)電容，可以輸出幾秒鐘到幾十秒鐘的瞬間大電流，承擔(dān)設(shè)備啟動(dòng)所需要的大功率電能，常用于各類汽車和重型機(jī)械設(shè)備中，單體容量50F以上，5000F以下，可以幾個(gè)到幾百個(gè)串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到700VDC以上。（2）牽引型超級(jí)電容，即重型超級(jí)電容，可以連續(xù)輸出幾分鐘到幾十分鐘的較高強(qiáng)度的電流，在許多場(chǎng)合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔(dān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需的電能供應(yīng)工作，常用于各類電動(dòng)汽車，機(jī)械設(shè)備，太陽(yáng)能系統(tǒng)和電子電器中，單體容量最高可達(dá)100000F以上，可以幾個(gè)到幾百個(gè)串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到800VDC以上。：（1）雙電層超級(jí)電容器，以活性炭為正、負(fù)電極，俗稱碳碳超級(jí)電容。（2）金屬氧化物超級(jí)電容, 在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容,被稱為假電容。（3）高分子聚合物超級(jí)電容，使用導(dǎo)電聚合物作為電極的電容器。雙電層電容充放電純屬于物理過(guò)程，循環(huán)次數(shù)高，充電過(guò)程快，但所存儲(chǔ)的能量較??；而后兩種超級(jí)電容的產(chǎn)生機(jī)理中伴隨電荷傳遞過(guò)程的發(fā)生，比能量明顯高于雙電層電容，將雙電層電容和法拉第電容結(jié)合，制成不對(duì)稱電極的混和超級(jí)電容。車用的超級(jí)電容器主要是這種電容器。 超級(jí)電容器的特性單位:法[拉](F),規(guī)定的恒定電流(如1OOOF以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A,20OF以下的為3A)充電到額定電壓后保持23分鐘，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)間與電流的乘積再除以額定電壓值，即： 由于等效串聯(lián)電阻(ESR)比普通電容器大，因而充放電時(shí)ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，%，在950A電流放電時(shí)的ESR電壓降為380mV占額定電壓的14%，%。即可以使用的最高安全端電壓(,，3V)，除此之外還有浪涌電壓，實(shí)際上超級(jí)電容的擊穿電壓遠(yuǎn)高于額定電壓(，與普通電容器額定電壓/擊穿電壓比值差不多。5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，除此之外還有最大電流(脈沖峰值電流)。 在額定電壓放電到零所釋放的能量,以焦(J)或瓦時(shí)(Wh)為單位。最大存儲(chǔ)能量除以超級(jí)電容器的重量或體積(Wh/kg 或 Wh/I)。在匹配的負(fù)載下,超級(jí)電容器產(chǎn)生電熱效應(yīng)各半時(shí)的放電功率,用kW/噸或kW/t表示。測(cè)試條件:規(guī)定的恒定電流(如1OOOF以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A,20OF以下的為3A)和規(guī)定的頻率(DC和大容量為100Hz或小容量的為KHz)下的等效申聯(lián)電阻。通常交流ESP比直流ESR小，隨溫度上升而減小。通常為40℃至+60℃或7090，存儲(chǔ)溫度還可以高一些。一般為lOμA/F。在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90000小時(shí)，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時(shí)，與鋁電解電容器的溫度壽命關(guān)系相似壽命隨環(huán)境溫上升度縮短的原因是電解液的蒸發(fā)程度損失隨溫度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為:電容量變化大于20%， 。20秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒，10秒放電到額定電壓的一半，:電容量變化大于20%， 。 超級(jí)電容器的主要特征參數(shù)把超級(jí)電容等效為一個(gè)理想電容器C。與一個(gè)較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗，Res串聯(lián)，同時(shí)與一個(gè)較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗，Rep相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。： 理想超級(jí)電容器超級(jí)電容在使用過(guò)程中會(huì)涉及到幾個(gè)基本的參數(shù)：本征容量C，最高電壓，最低工作電壓 ，：設(shè)=q則q表征了超級(jí)電容的放電深度。在蓄電池中，過(guò)大的放電深度對(duì)蓄電池的壽命會(huì)有較大影響。而在超級(jí)電容中由于超級(jí)電容充放電主要是物理過(guò)程，因此它對(duì)超級(jí)電容的壽命基本上沒(méi)有什么影響。不過(guò)在實(shí)際使用過(guò)程中，由于在電壓很低時(shí)超級(jí)電容剩余能量比較少，而且在低電壓時(shí)電效率比較低，所以要剩余一部分能量，一般取q=1/2。由于一般比較大，可達(dá)數(shù)十千歐姆，可認(rèn)為是斷路。超級(jí)電容的充電效率定義為：超級(jí)電容放電效率定義為：充放電效率為：這只是從理論上推導(dǎo)的充放電的效率。實(shí)際上在充放電過(guò)程中，超級(jí)電容內(nèi)阻和電容值都是動(dòng)態(tài)變化的，受充放電電流和溫度等因素的影響，比如某50000F超級(jí)電容漏電流為7～12 A，在平衡點(diǎn)上下波動(dòng)，平均漏電流約為10A。如果該超級(jí)電容不能在短期內(nèi)放電做功，他可能由于長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的擱置而能量?jī)?nèi)耗掉，(此放電狀態(tài)應(yīng)該跟工作狀態(tài)相似)進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際過(guò)程中由于受試驗(yàn)條件等受限，可以根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，在實(shí)踐中進(jìn)行改進(jìn)。3 設(shè)計(jì)要求 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求 最低啟動(dòng)定義在一定溫度下，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)的最低曲軸轉(zhuǎn)速。汽油機(jī)中，約為50~70r/min。 啟動(dòng)要求　啟動(dòng)機(jī)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要大于發(fā)動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速；若低于這個(gè)轉(zhuǎn)速，汽油泵供油不足，氣流速度過(guò)低，可燃混合氣形成不充分，還會(huì)使壓縮行程的散熱損失和漏氣損失增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。超級(jí)電容可放出的能量為：。等效串聯(lián)內(nèi)阻。 對(duì)超級(jí)電容的要求 內(nèi)阻要求內(nèi)阻越小越好，放電效率越高。如果內(nèi)阻過(guò)高不僅導(dǎo)致放電效率下降而且大電流放電時(shí)會(huì)造成熱量累積，溫度升高，電極材料活性開(kāi)始衰弱，會(huì)使超級(jí)電容的壽命降低。一般要求內(nèi)阻在毫歐級(jí)以下。 漏電流/自放電任何超級(jí)電容器都會(huì)在通電的情況下產(chǎn)生漏電流，它會(huì)影響超級(jí)電容器單元的自放電。漏電流是在充放電過(guò)程中，雙電層離子由于受到電極上異性電荷的靜電吸引力和電解液中溶液離子濃度梯度造成的本體遷移力的共同作用而產(chǎn)生的。溫度是一個(gè)影響漏電流的重要因素，溫度升高，漏電加劇。充電停止后，當(dāng)外界沒(méi)有電磁場(chǎng)作用于電容器時(shí)，擴(kuò)散層中離子仍繼續(xù)向溶液本體遷移，同時(shí)緊密層離子脫離出來(lái)進(jìn)入擴(kuò)散層，并進(jìn)一步遷移到溶液本體，這就形成了電容器的自放電。由于漏電流和自放電很難簡(jiǎn)單的用一個(gè)參數(shù)來(lái)表述，而且過(guò)于專業(yè)的一些電參數(shù)對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程作用不大。因此從宏觀上看，可以從超級(jí)電容的放電效率和時(shí)間電壓保持能力來(lái)要求超級(jí)電容的性能。漏電流和自放電都影響超級(jí)電容的放電效率。因此對(duì)設(shè)計(jì)比較有用的效率可以定義為：式中：W為超級(jí)電容對(duì)外做的功。電壓保持的能力與超級(jí)電容中的等效并聯(lián)內(nèi)阻有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)該值與端電壓有關(guān)，端電壓越高時(shí)，并聯(lián)電阻越小。4 超級(jí)電容在汽車啟動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)蓄電池的缺陷Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個(gè)可靠的能量?jī)?chǔ)存方案，并且已經(jīng)在很多領(lǐng)域中廣泛使用?；瘜W(xué)電池使用壽命較短，并且受溫度影響較大，這也同樣是采用鉛酸電池（蓄電池）的設(shè)計(jì)者所面臨的困難。同時(shí)，大電流會(huì)直接影響這些電池的壽命，因此，對(duì)于要求長(zhǎng)壽命、高可靠性的某些應(yīng)用，這些基于化學(xué)反應(yīng)的電池就顯出種種不足。在啟動(dòng)過(guò)程中特別是在啟動(dòng)瞬間，由于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，不產(chǎn)生感生電勢(shì)，故啟動(dòng)電流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E為蓄電池空載端電壓，RM為啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞電阻，RS為蓄電池內(nèi)阻、RL為線路電阻。由于RM、RB、RL均非常低，啟動(dòng)電流非常大。例如用12 V、45 L柴油機(jī)的汽車， V。啟動(dòng)瞬時(shí)的電流達(dá)550 A，約為蓄電池的12V的放電率,啟動(dòng)過(guò)程的蓄電池電流波形如圖4. 2所示。電流傳感器的電流/電壓變換比率為100 A/V。盡管車用蓄電池是啟動(dòng)專用蓄電池，可以高倍率放電，10倍以上高倍率放電時(shí)的蓄電池性能變得很差，而且，如此高倍率放電對(duì)蓄電池的損傷也