超級電容電池知識全解析

七、超級電容電池的泄露電流現象

當超級電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而衰減，因為碳電極中的離子會(huì )擴散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì )穩定在一個(gè)均衡值，該值取決于電容、電壓和時(shí)間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時(shí)后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄 漏電流隨溫度升高而呈指數上升。

當溫度升高時(shí)，穩定到均衡值的時(shí)間會(huì )減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時(shí)間最小。根據不同的 超級電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設計者在為能量采集電路挑選超級電容時(shí)，應考慮測試這個(gè)最小充電電流。

八、超級電容電池的充電

一個(gè)放電的超級電容就像一個(gè)與能量源短接的電路。所幸，很多能量采集源(如太陽(yáng)能電池和微發(fā)電機)都可以驅動(dòng)一個(gè)短接的電路，從0V起為一只超級電容直接充電。與各種能量源(如壓電或熱電能)接口的IC必須能夠驅動(dòng)一個(gè)短接的電路，從而為超級電容充電。

業(yè)界在MPPT(最大峰值功率追蹤)方面做了很大努力，以從能量采集源最有效地獲得功率。當必須用恒壓方式為電池充電時(shí)，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個(gè)dc/dc轉換器，它對能量源是一個(gè)恒定功率的負載，因此，采用MPPT在最高效點(diǎn)獲得能量就是有意義的。

與電池相反，超級電容不需要以恒壓充電，而以電源可以提供的最大電流充電時(shí)效率最高。一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的充電電路，用于太陽(yáng)能電池陣列的開(kāi)路電壓小 于超級電容額定電壓的情況。二極管可防止超級電容在太陽(yáng)能電池無(wú)光照情況下對其反充電。如果能源的開(kāi)路電壓大于超級電容的電壓，則超級電容需要采用分流穩 壓器做過(guò)壓保護。分流穩壓器是過(guò)壓保護一種廉價(jià)而簡(jiǎn)單的方案，一旦超級電容充滿(mǎn)電，就無(wú)所謂是否消耗了過(guò)多的能量。

能量采集器就像一根能無(wú)限供水的水管，為一個(gè)水槽注水(好比一只超級電容)。如果水槽滿(mǎn)了，水管仍開(kāi)著(zhù)，水就會(huì )溢出。這與電池不同，電池供給能量有限，因此需要串聯(lián)穩壓器。

在電路里，超級電容為0V，從一塊太陽(yáng)能電池芯獲取短路電流。隨著(zhù)超級電容的充電，電流下降，這取決于太陽(yáng)電池芯的電壓/電流特性。但超級電容總是 要獲取可能的最大電流，因此它以盡可能大的速率充電。中的電路采用了TLV3011太陽(yáng)能電池芯，因為它內含了一個(gè)電壓基準，只需要約3μA的靜態(tài)電 流，并且它是一種漏極開(kāi)路電池芯，當穩壓器關(guān)斷時(shí)，輸出就是開(kāi)路的。電路采用了BAT54二極管，因為它在小電流時(shí)有低的正向壓降，即在正向電流小于 10μA時(shí)，正向電壓小于0.1V。

微發(fā)電機很適合于工業(yè)控制應用，如監控旋轉的機器，因為機器在工作時(shí)會(huì )發(fā)生振動(dòng)。給出了一只微發(fā)電機的電壓-電流特性，它類(lèi)似于一只太陽(yáng)能電池 芯，能夠為一個(gè)短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機還帶有一個(gè)二極管橋，可防止超級電容為發(fā)電機反向充電，這就得到了一個(gè)簡(jiǎn)單的充電電路。

當超級電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而衰減，因為碳電極中的離子會(huì )擴散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì )穩定在一個(gè)均衡值，該值取決于電容、電壓和時(shí)間。泄漏電流與 電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗估計算法為室溫下1μA/F。中的150mF電容，在160小時(shí)后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。

泄漏電流隨溫度升高而呈指數上升。當溫度升高時(shí)，穩定到均衡值的時(shí)間會(huì )減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時(shí)間最小。根據不同的 超級電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設計者在為能量采集電路挑選超級電容時(shí)，應考慮測試這個(gè)最小充電電流。

九、超級電容電池帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電革命

作為新興儲能元件，超級電容具有循環(huán)壽命長(cháng)，充放時(shí)間快等特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內，超級電容更具有適應溫度范圍廣，體積小容量大，可焊接，維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電設備系統中，超級電容不會(huì )過(guò)充，過(guò)放影響壽命，充放電過(guò)程僅僅是物理層面上的變化，不會(huì )對常年密閉空間作業(yè)的輪轂內部造成二次污染，超級電容以保持穩定的直流電壓，保證變槳伺服電機的正常運作。

超級電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理，存儲過(guò)程可逆，分析時(shí)采用RC模型，包括理想電容C等效串聯(lián)內阻RESP，等效并聯(lián)內阻REPR，RESP影響超級電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長(cháng)期靜止存儲。存電荷不一樣的是，雙電層電容器是在電極-電解質(zhì)表面以靜電形式的電荷進(jìn)行儲能。這種儲能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長(cháng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)，相對于鉛酸蓄電池，對于緊急變槳供電對多變的風(fēng)況的情況下更具有優(yōu)勢。

更換了一部分超級電容以后針對于風(fēng)能隨機性強力，環(huán)境惡劣，溫度濕度變化大，鹽霧污穢侵蝕嚴重等因素對供電模塊影響?？梢缘贸龀夒娙菹啾茹U酸蓄電池更加穩定，實(shí)用性和可行性更強 可以預見(jiàn)超級電容的應用在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來(lái)越成熟的發(fā)展中所占的比例將逐漸上升。所以超級電容做為風(fēng)力發(fā)電機后備電源具有很強的可行性。

十、超級電容電池變革新能源汽車(chē)

超級電容在新能源汽車(chē)中主要有三類(lèi)應用：一是作為動(dòng)力設備，如上海11路公交即為超級電容大巴，車(chē)輛運行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節能環(huán)保又兼顧城市景觀(guān);二是作為發(fā)動(dòng)機的輔助驅動(dòng)，在汽車(chē)快速啟動(dòng)時(shí)提供較大的驅動(dòng)電流，減少了油耗和不完全燃燒的污染排放;三是對制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用，當汽車(chē)需要加速時(shí)，再將這些儲存的能量釋放出來(lái)，提高了能源的使用效率。

十一、超級電容電池展望有軌電車(chē)未來(lái)

據不完全統計，目前全球已有超過(guò)60個(gè)國家、300個(gè)城市運營(yíng)現代有軌電車(chē);國內已有50多個(gè)城市開(kāi)展了有軌電車(chē)的規劃、建設和運營(yíng)。國內正在建設的超級電容儲能式有軌電車(chē)項目：武漢市大漢陽(yáng)區有軌電車(chē)T1線(xiàn)，全長(cháng)19km，已采購超級電容車(chē)輛21列;寧波市鄞州區有軌電車(chē)示范線(xiàn)，全長(cháng)8km，已采購超級電容車(chē)輛10列;東莞市松山湖華為工業(yè)園區線(xiàn)，全長(cháng)5km，已采購超級電容車(chē)輛5列;深圳市龍華新區有軌電車(chē)T1線(xiàn)，全長(cháng)約12km，計劃配超級電容車(chē)輛15列;武漢市東湖高新區有軌電車(chē)T1/T2線(xiàn)，全長(cháng)16/19km，計劃配超級電容車(chē)輛26列;廣州2020年前規劃約500公里有軌電車(chē)線(xiàn)網(wǎng)，計劃配超級電容車(chē)輛約500列等等。國外及港澳臺正在建設的超級電容儲能式有軌電車(chē)項目：臺灣高雄有軌電車(chē)環(huán)線(xiàn)，全長(cháng)22km，已采購超級電容車(chē)輛約30列(CAF);卡塔爾多哈有軌電車(chē)線(xiàn)，全長(cháng)12km，已采購超級電容車(chē)輛18列(SIEMENS)。

目前已經(jīng)運營(yíng)或試運行的超級電容儲能式有軌電車(chē)有：廣州海珠(7.7km，已運營(yíng));江蘇淮安(20.3km試運行)。

全球首條超級電容儲能式現代有軌電車(chē)運營(yíng)線(xiàn)-廣州海珠線(xiàn)運行情況：運營(yíng)時(shí)間： 9：00-21：00;上線(xiàn)數量： 工作日4+1列，周末6+1列;運營(yíng)里程：230公里(每列15個(gè)往返);旅行速度： 24km/h，7.7km單程19分;正點(diǎn)率： 99.87%;每日客流：最高日超2萬(wàn)張票(7列車(chē));車(chē)輛電耗：3度/公里↓30%。

超級電容儲能式有軌電車(chē)已逐步融入了城市文化，它已經(jīng)不僅僅是一種交通工具，而是一種新的生活方式。

十二、超級電容電池助力混動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展

HEV的由來(lái)，一個(gè)方面是從能源危機，另一方面是環(huán)境污染，再一個(gè)就是國家相關(guān)政策，從這幾個(gè)方面提出了混合動(dòng)力需求。HEV的分類(lèi)現在有不同的方法，上午和下午也介紹了不少。工作原理，我不是專(zhuān)業(yè)的，就不多介紹，主要還是契合主題，講我們的鈦酸鋰電池和超級電容器。

首先要知道HEV的使用特點(diǎn)，目前HEV的使用特點(diǎn)第一個(gè)就是使用頻度比較高，頻繁、淺度的充放電循環(huán);二是功率要求比較大，在充電過(guò)程中電流和電壓都有比較大的變化;三是工作環(huán)境，實(shí)際工況相對來(lái)說(shuō)比較復雜。溫度方面，工作溫度需求區域就比較寬。

根據以上實(shí)際工作特點(diǎn)，就對我們HEV相關(guān)電源提出了電源設計方面的要求。一是循環(huán)壽命，電池循環(huán)壽命要求比較高，最好是能夠持續使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應溫度比較寬一點(diǎn)，盡可能在零下40和70度都有較好的充放電能力。四是安全穩定問(wèn)題，純電動(dòng)和混合電動(dòng)都出現過(guò)安全事故，這塊大家都非常關(guān)注。五是充放電效率，動(dòng)力電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過(guò)充電-放電-充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車(chē)效率具有至關(guān)重要的作用。

目前在HEV使用的配套電池解決方案應該差不多有十種左右，一個(gè)是鉛酸電池;二是傳統的鎳氫電池;三是以磷酸鐵鋰為正極材料，以石墨或者碳為負極材料;四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料，石墨為負極材料;五是鋅鎳電池;六是就是我今天要談到的一個(gè)，以三元材料做正極，鈦酸鋰作為負極，就是鈦酸鋰電池，其實(shí)它也是我們鋰離子電池的一種，只是負極不同而已。七是超級電容器和其他二次電池的搭配使用，用到混合電動(dòng)車(chē)上。當然還有液流電池和燃料電池、鐵鎳電池等，大概有十多種。

總結：電池是動(dòng)力的源頭，而電容作為存儲電量的基本，其重要性當然是非常重要的，如果電容和電池的特點(diǎn)能夠結合，那么肯定是非常具有誘惑力的，這就是超級電容電池的最大潛力，所以說(shuō)，如果這種電池能夠得到普及的話(huà)，那必將會(huì )帶來(lái)一個(gè)革命。