認識超級電容技術在工程裝備上的應用

洪 津 孫彥青 袁建虎 高 博

（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇 南京 210007）

引言

超級電容器是一種新型的儲能元件，其電容量可達數千法拉，性能介于可充電電池和電解電容器之間。從某種意義上可以說超級電容器有著傳統電容器和電池的雙重功能，其功率密度遠高于普通電池，能量密度遠高于傳統電容，因而填補了這兩個傳統技術之間的空白[1]。工程裝備在實際的使用過程中勞動強度大、連續工作時間長、工作環境差（低溫、高寒、大的振動和噪聲），蓄電池等儲能元件在這種環境下性能不穩定，影響工程裝備的正常運轉。一般電容器的電容量小，滿足不了工程裝備對電量的需求，超級電容的出現，解決了容量小的技術難題。超級電容器和蓄電池組合使用，供電設備具有蓄電池和超級電容器的雙重優點，大大改善了工程裝備在啟動過程中電源的提供。

1 超級電容器的原理及特點

1.1 超級電容器的工作原理

根據電容器的原理，電容量取決于電極板間的距離和電極板的表面積，其表達式為：

其中，為介電常數；為電極板表面積；為介質厚度。

超級電容采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極，其結構如圖1。雙電層介質在電容器兩極施加電壓時，在靠近電極的電介質界面上產生與電極所攜帶電荷性質相反的電荷被束縛在介質界面上，形成事實上電容器的兩個電極，兩個電極之間的間距非常小，僅有幾nm，同時活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積，可達到200m2/g。因而這種結構的超級電容器具有極大的電容量并可以存儲很大的靜電能量。

圖1 超級電容的結構

當兩個電極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液,超級電容器處在正常工作狀態，如果電容器二端電壓超過電解液的氧化還原電極電位，那么電解液將分解，處于非正常狀態。隨著超級電容器的放電，正負極板上的電荷被外電路泄放,電解液界面上的電荷響應減少。由此可以看出超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的，與利用化學反應的蓄電池不同。

1.2 主要特點

盡管超級電容的能量密度只有蓄電池的5%或者更少，但是這種儲能方式可以應用在蓄電池性能不足的領域，相比傳統的能儲能件，超級電容器具有以下特點：

①是電容量超大。傳統電容器一般用微法為單位，而一般的超級電容器電容量很容易達到1F，比普通電容器的電容量大了3～4個數量級，目前單體超級電容器的最大電容量可以達到5000F；

②是能夠快速充放電。超級電容器可以在數秒到數分鐘內快速充電，而蓄電池要在這么短的時間內完成充電是及其危險或者是不可能的，也可以快速放電，進而提供很大的放電電流，而普通電池在大的放電電流的作用下，壽命將會大大減小；

③是壽命很長。充放電次數可以達到500 000次，而普通的蓄電池的從發電次數很難超過1000次；

④是可以在很寬的溫度范圍內正常工作（－40℃～＋70℃）。蓄電池很難在高溫、特別是低溫環境下工作；

另外，超級電容器的材料是安全無毒害的，不污染環境，具有綠色環保的功能，而且，超級電容器可以任意并聯來增加電容量，采取均壓措施后，還可以串聯使用。

2 超級電容器在工程裝備中的應用

超級電容器已經在生活中有著成功的應用例子，在工程裝備領域的應用才剛剛起步，但由于它有普通儲能原件不具備的特性，相信在不久的將來，越來越多的超級電容器會應用到工程裝備上。

2.1 在現有應用領域中的優勢

超級電容車是上海世博會的一道亮麗的風景線，與傳統汽車相比，這種超級電容動力車符合現代新能源開發和節能減排的理念，"零排放"環保無污染（保證了高人口密度的世博園區的空氣清潔）、能量利用率高（能耗是普通燃油車的三分之一）、噪聲小、使用壽命長、能夠快速充電（能夠利用在終點站或乘客上下車時間完成快速充電，充電時間30s－3min），并且在整個行駛過程中比較平穩，保證了超級電容車的舒適度。

隨著納米技術的發展，新型小體積、低高度的柱形脈沖超級電容器已應用于更加廣泛的高科技領域，為電容器制造領域開闊了廣泛的空間。

2.2 電容模組在工程裝備中的應用

以下基本參數決定選擇超級電容器的大小：1.最高工作電壓；2.工作截止電壓；3.平均放電電流；4.放電時間多長。在實際應用中，根據不同的需求來選擇不同規格的超級電容器，也可以根據需要把多個超級電容器并聯或者采取均壓措施后串聯起來，形成超級電容模組，以滿足不容的實際需求。一個單體超級電容器能夠提供的電壓在2.5V～2.7V，而工程裝備電源的電壓一般為十幾伏到幾十伏，遠遠大于單體超級電容器提供的電壓，而且一個超級電容器能夠提供的電量是非常有限的，這就要求必需把多個超級電容器組合起來形成超級電容模組，才能滿足現實的要求，電容模組就是為了滿足現實的應用把多個超級電容器組合起來的。根據裝備需要的電流大小，放電時間和工作電壓區間就可以計算出所需電容器的數量，進而配備出滿足要求的超級電容模組，凱美公司生產的超級電容模組如圖2所示。

圖2 凱美公司生產的超級電容器15V－58F低溫啟動模組

在工程裝備內燃機的啟動上，超級電容模組有著廣闊的發展空間，超級電容模組和蓄電池并聯，用于物質運輸車、坦克、步戰車和挖掘機等工程裝備的內燃發動機的啟動電源，這樣不僅能夠保證發動機在低溫和蓄電池饋電的條件下正常啟動，而且能夠有效降低蓄電池極板的極化，使啟動過程的平穩電壓得到提高，避免了發動機的頻繁啟動，有效地保護蓄電池，延長蓄電池的壽命。啟動過程中的電壓劇烈變化也是極強的電磁干擾，可以造成電氣設備掉電，迫使電氣設備在發電機啟動過程結束后重新上電，計算機在這個過程中非常容易死機[2]。電容模組配合蓄電池啟動時，能夠減小蓄電池電壓的劇烈變化，避免了對其它電氣設備的電磁干擾。另外，超級電容模組也可以單獨啟動發動機，對蓄電池已經損壞的工程裝備進行啟動。超級電容模組可以作為為便攜式啟動電源，應用在野外作業、坑道作業和停車廠的工程裝備上，與傳統的蓄電池移動啟動電源相比，其重量輕、體積小、攜帶方便，另外，超級電容器的充電速度很快，在對裝備進行啟動的過程中能夠快速補電，重復使用起來非常方便。超級電容器可以通過充電器利用野外工程車中的發電機進行充電，所以在使用的過程中，只需在工程車中攜帶充電器即可。在緊急停電的情況下，超級電容可以作為野外作業和野外生活的電源，彌補蓄電池不能快速充電的缺點。超級電容器還可以為一個臨時的指揮控制中心、野戰醫院供電。

3 存在的問題

實際生產的超級電容器的使用溫度范圍為－40℃～＋70℃，而工程裝備的最低溫度為－55℃，這就意味著超級電容器在溫度極低的高原和極寒地帶的使用受到了限制。隨著超級電容制造技術的不斷發展，耐超低溫的這項技術難題不斷得到攻破，實際生產的超級電容器在－55℃溫度下依然可以使用。

結論。超級電容未出現以前，由于普通電容容量小，電容器在工程裝備中的應用一直被限制在濾波、耦合、諧振等方面。超級電容器的出現，改變了普通電容器的應用方向，為工程裝備提供了一種新形勢的電源。隨著對超級電容器研究的不斷深入和生產技術的不斷成熟，更大容量、更高電壓的電容器很快就會出現，屆時工程裝備中將有超級電容器的一席之地。

[1]李寶華，周鵬偉等.超級電容器的性能研究[J].深圳特區科技，2005.11.

[2]王鑫.超級電容器在汽車啟動中的應用[J].國外電子元器件，2006.04.