【文章內容簡介】 超級電容器生產(chǎn)商，可以提供許多種類的超級電容器產(chǎn)品，但大部分產(chǎn)品都是基于一種相似的雙電層結構，超級電容器在結構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： 在結構上，超級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，使超級電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級電容器可以做到法拉級，一般容值范圍為1～5000F。 超級電容器的分類：（1）啟動型超級電容，即輕型超級電容，可以輸出幾秒鐘到幾十秒鐘的瞬間大電流，承擔設備啟動所需要的大功率電能，常用于各類汽車和重型機械設備中，單體容量50F以上，5000F以下，可以幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到700VDC以上。（2）牽引型超級電容，即重型超級電容，可以連續(xù)輸出幾分鐘到幾十分鐘的較高強度的電流，在許多場合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔設備驅動所需的電能供應工作，常用于各類電動汽車，機械設備，太陽能系統(tǒng)和電子電器中，單體容量最高可達100000F以上，可以幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓12VDC到800VDC以上。：（1）雙電層超級電容器，以活性炭為正、負電極，俗稱碳碳超級電容。（2）金屬氧化物超級電容, 在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生可逆化學吸附的法拉第電容,被稱為假電容。（3）高分子聚合物超級電容，使用導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程，循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，但所存儲的能量較??；而后兩種超級電容的產(chǎn)生機理中伴隨電荷傳遞過程的發(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合，制成不對稱電極的混和超級電容。車用的超級電容器主要是這種電容器。 超級電容器的特性單位: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ESR產(chǎn)生的電壓降不可忽略，%，在950A電流放電時的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，實際上超級電容的擊穿電壓遠高于額定電壓(，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(Wh)為單位。最大存儲能量除以超級電容器的重量或體積(Wh/kg 或 Wh/I)。在匹配的負載下,超級電容器產(chǎn)生電熱效應各半時的放電功率,用kW/噸或kW/t表示。測試條件:規(guī)定的恒定電流(如1OOOF以上的超級電容器規(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，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時，與鋁電解電容器的溫度壽命關系相似壽命隨環(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。壽命終了的標準為: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%， 。 超級電容器的主要特征參數(shù)把超級電容等效為一個理想電容器C。與一個較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗，Res串聯(lián)，同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗，Rep相并聯(lián)的結構。： 理想超級電容器超級電容在使用過程中會涉及到幾個基本的參數(shù)：本征容量C，最高電壓，最低工作電壓 ，：設=q則q表征了超級電容的放電深度。在蓄電池中，過大的放電深度對蓄電池的壽命會有較大影響。而在超級電容中由于超級電容充放電主要是物理過程，因此它對超級電容的壽命基本上沒有什么影響。不過在實際使用過程中，由于在電壓很低時超級電容剩余能量比較少，而且在低電壓時電效率比較低，所以要剩余一部分能量，一般取q=1/2。由于一般比較大，可達數(shù)十千歐姆，可認為是斷路。超級電容的充電效率定義為：超級電容放電效率定義為：充放電效率為：這只是從理論上推導的充放電的效率。實際上在充放電過程中，超級電容內阻和電容值都是動態(tài)變化的，受充放電電流和溫度等因素的影響，比如某50000F超級電容漏電流為7～12 A，在平衡點上下波動，平均漏電流約為10A。如果該超級電容不能在短期內放電做功，他可能由于長時問的擱置而能量內耗掉，(此放電狀態(tài)應該跟工作狀態(tài)相似)進行試驗。在實際過程中由于受試驗條件等受限，可以根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)進行初步設計，在實踐中進行改進。3 設計要求 發(fā)動機啟動要求 最低啟動定義在一定溫度下，發(fā)動機能夠起動的最低曲軸轉速。汽油機中，約為50~70r/min。 啟動要求　啟動機傳給發(fā)動機的轉速要大于發(fā)動機的最低轉速；若低于這個轉速，汽油泵供油不足，氣流速度過低，可燃混合氣形成不充分，還會使壓縮行程的散熱損失和漏氣損失增加，導致發(fā)動機不能啟動。超級電容可放出的能量為：。等效串聯(lián)內阻。 對超級電容的要求 內阻要求內阻越小越好，放電效率越高。如果內阻過高不僅導致放電效率下降而且大電流放電時會造成熱量累積，溫度升高，電極材料活性開始衰弱，會使超級電容的壽命降低。一般要求內阻在毫歐級以下。 漏電流/自放電任何超級電容器都會在通電的情況下產(chǎn)生漏電流，它會影響超級電容器單元的自放電。漏電流是在充放電過程中，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。溫度是一個影響漏電流的重要因素，溫度升高，漏電加劇。充電停止后，當外界沒有電磁場作用于電容器時，擴散層中離子仍繼續(xù)向溶液本體遷移，同時緊密層離子脫離出來進入擴散層，并進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單的用一個參數(shù)來表述，而且過于專業(yè)的一些電參數(shù)對實際設計過程作用不大。因此從宏觀上看，可以從超級電容的放電效率和時間電壓保持能力來要求超級電容的性能。漏電流和自放電都影響超級電容的放電效率。因此對設計比較有用的效率可以定義為：式中：W為超級電容對外做的功。電壓保持的能力與超級電容中的等效并聯(lián)內阻有關，一般來說該值與端電壓有關，端電壓越高時，并聯(lián)電阻越小。4 超級電容在汽車啟動系統(tǒng)中的應用 傳統(tǒng)蓄電池的缺陷Li離子、NiMH等新型電池可以提供一個可靠的能量儲存方案，并且已經(jīng)在很多領域中廣泛使用?；瘜W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）的設計者所面臨的困難。同時，大電流會直接影響這些電池的壽命，因此，對于要求長壽命、高可靠性的某些應用，這些基于化學反應的電池就顯出種種不足。在啟動過程中特別是在啟動瞬間，由于啟動電動機轉速為零，不產(chǎn)生感生電勢，故啟動電流：I=E/(RM+RS+RL)；其中：E為蓄電池空載端電壓，RM為啟動電動機的電樞電阻，RS為蓄電池內阻、RL為線路電阻。由于RM、RB、RL均非常低，啟動電流非常大。例如用12 V、45 L柴油機的汽車， V。啟動瞬時的電流達550 A，約為蓄電池的12V的放電率,啟動過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專用蓄電池，可以高倍率放電，10倍以上高倍率放電時的蓄電池性能變得很差，而且，如此高倍率放電對蓄電池的損傷也