混合型超級電容器外特性的研究*

章 錦，魏 濤，黃廷立

（上海奧威科技開發有限公司，上海 201203）

混合型超級電容器是近年來受到人們廣泛關注的一種新型高性能儲能器件[1]，其兼具二次電池與靜電電容器的雙重特性，被認為是一種介于傳統電容器和二次電池之間的新型化學電源。與二次電池相比，超級電容器具有功率密度大、充電迅速、循環壽命長、能量利用效率高、安全性高、清潔環保等特點[2]。在新能源汽車、軌道交通、太陽能和風能發電儲能、工業機械設備、節能電梯、軍事航天、船舶等領域都得到廣泛應用[3]。此外，由于混合型超級電容器的充電速度較快、安全性較好，因此非常適合作為固定線路運行的城市客車、有軌電車的主要動力電源。

1 超級電容放電特性

本文以上海奧威科技開發有限公司研發生產的混合型超級電容器UCK42V20000B作為研究對象，采用ARBIN高性能檢測設備對電容進行充放電試驗。UCK42V20000B性能參數如表1所示。

表1 超級電容單體UCK42V20000B性能參數

圖1為室溫下超級電容不同倍率下的放電曲線。結果表明：單體電壓隨著放電倍率變大而下降越快，而且電壓下降呈現線性趨勢。此外，在曲線末端電壓下降較快，這是因為超級電容在低壓下能量較低。

圖1 不同倍率下的放電曲線

2 超級電容溫度特性

圖2為超級電容在不同溫度下的放電曲線。從混合型超級電容的化學特性分析，溫度降低阻礙了離子的擴散與遷移，使得放電容量減少，影響車輛的續航里程；溫度升高有利于鋰離子擴散，超級電容內阻減小，放電容量增加。

圖2 不同溫度下的放電曲線

3 內阻特性

根據QC/T 741—2014《車用超級電容器》內阻測試方法：①測試出不同溫度下的超級電容內阻變化曲線，如圖3所示，隨著溫度的增加，內阻非線性變大，且溫度兩端的內阻變化超過數量級的變化；②測試不同SOC下內阻變化情況，如圖4所示，隨著SOC變大內阻減小，但是兩端的變化量只有20%左右；③測試不同循環壽命下內阻變化情況，如圖5所示，隨著循環次數增加內阻逐漸變大，超級電容在循環80000次時候，內阻變化量也只有50%。綜上所述，超級電容在使用時，溫度對內阻影響較大。

圖3 溫度與內阻的關系

圖4 SOC與內阻的關系

圖5 循環次數與內阻的關系

4 容量特性

根據QC/T 741—2014《車用超級電容器》可用容量測試方法，在不同溫度下，采用5C電流進行放電。如表2所示，可以看出：隨著溫度的增加，可用容量增加。由此表明：超級電容在涉及電量估算問題上應考慮溫度變化的影響。

表2 不同溫度下的超級電容電量

5 超級電容循環壽命特性

根據QC/T 741—2014《車用超級電容器》循環測試方法，采用5C倍率進行充放電循環，超級電容電壓范圍為2.5～4.0V，如圖6所示，實測超級電容UCK42V20000B循環壽命達到50000次，能量保有率為83%。

圖6 循環壽命曲線

根據50000次循環實測結果進行擬合，得到如下公式：

通過對全壽命周期內的電量進行計算，即可推算出當前的超級電容循環壽命，最終得出當前超級電容的容量保有率，此時的電量保有率便可作為超級電容的當前健康狀態。

6 超級電容動態工況特性

如圖7所示，對超級電容進行HPPC工況測試，在室溫條件下，將超級電容從2.5V充電至4.2V，再按照1C放電1min，靜置20min的循環辦法放電至2.5V時停止，全過程共計脈沖放電10次，SOC從100%變化為0%。測試結果表明：混合超級電容在HPPC動態測試下表現出和鋰電池相似的極化特性，但是超級電容極化效應較小，內部反應可以較快恢復穩定狀態，對于超級電容開路電壓的確定具有較大幫助。

圖7 HPPC測試曲線

7 結束語

通過上述試驗數據可以看出超級電容的外特性研究對于其合理使用具有重要意義。超級電容的放電特性曲線表明：超級電容的工作電壓在不同倍率、不同溫度下近似為線性變化，無明顯的拐點電壓。因此，超級電容的電量估算通過查表即可獲得較為準確的結果。其次，不同溫度、SOC、循環壽命下內阻的變化曲線表明超級電容在長期使用過程中，溫度對內阻的影響最大，而超級電容不同循環次數下容量保持率特性曲線表明后續可以從容量角度計算其健康狀態。最后，超級電容的動態特性可為等效電路模型建立提供數據支撐。