超级电容技术原理及在电动车上的应用

1.引 言
　　超级电容器也属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空（相对介电常数为1）或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离，电容值为： 
　C = ε?A / 3.6 πd ?10-6 （μF） 
　其中A为极板面积，d为介质厚度 
　所储存的能量为： 
　E = 1/2 C （ΔV）2 
　 其中C为电容值，ΔV为极板间的电压降。可见，若想获得较大的电容量、储存更多的能量，必须增大面积A或减少介质厚度d。 
　 双电层电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联，如图所示： 
　由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度d），根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。 
2.产品分类： 
　　超级电容器完全不同于传统的电解电容器，由于特殊的原材料、特殊的制作方法，其单体容量能够超过传统电容器的1000倍以上，在0.6升的体积内就能够达到10000F以上的容量，兼具电池与电容的双重特性，成为一种性能极佳的动力电源。超级电容器满足了市场对高频率、大强度、高循环次数、并符合环保政策的动力电源的需求，在机械、电子、汽车、太阳能等领域有着极好的发展前景。 
　　根据使用目的不同，超级电容器可以分为以下两类： 
　　（1）启动型超级电容器：即轻型的超级电容器，可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC直到700VDC以上； 
　　（2）牵引型超级电容器：即重型的超级电容器，可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，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，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上； 
3. 产品特性： 
　　
　　产品的技术特性 
　　（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上； 
　　（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次； 
　　（3）能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%； 
　　（4）功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍； 
　　（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； 
　　（6）安全系数高，长期使用免维护； 
　　（7）超低温特性好，可工作于摄氏零下30℃的环境中； 
　　（8）检测方便，剩余电量可直接读出。 
4.产品应用： 
　　（1）作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量； 
　　（2）作为燃料电池电动车的辅助动力电源，与燃料电池主电源形成混合动力，提供瞬间大功率（启动、爬坡、加速时）并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用； 
　　（3）作为车辆、机械、船舶等设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电混合动力，大幅度降低燃油的消耗、提高发动机峰值功率并减少有害气体排放； 
　　（4）作为电池型电动工具的主电源，提供短时驱动的能量； 
　　（5）作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置； 
　　（6）作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等； 
　　（7）在电子电器（汽车音响、仪器仪表、家用电器、手机、电脑、数码相机……）中作为备用电池或主电池； ……