認(rèn)識(shí)超級(jí)電容技術(shù)在工程裝備上的應(yīng)用

洪 津 孫彥青 袁建虎 高 博

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

引言

超級(jí)電容器是一種新型的儲(chǔ)能元件，其電容量可達(dá)數(shù)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(shuō)超級(jí)電容器有著傳統(tǒng)電容器和電池的雙重功能，其功率密度遠(yuǎn)高于普通電池，能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容，因而填補(bǔ)了這兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)之間的空白[1]。工程裝備在實(shí)際的使用過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境差（低溫、高寒、大的振動(dòng)和噪聲），蓄電池等儲(chǔ)能元件在這種環(huán)境下性能不穩(wěn)定，影響工程裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一般電容器的電容量小，滿足不了工程裝備對(duì)電量的需求，超級(jí)電容的出現(xiàn)，解決了容量小的技術(shù)難題。超級(jí)電容器和蓄電池組合使用，供電設(shè)備具有蓄電池和超級(jí)電容器的雙重優(yōu)點(diǎn)，大大改善了工程裝備在啟動(dòng)過(guò)程中電源的提供。

1 超級(jí)電容器的原理及特點(diǎn)

1.1 超級(jí)電容器的工作原理

根據(jù)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(dá)式為：

其中，為介電常數(shù)；為電極板表面積；為介質(zhì)厚度。

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

圖1 超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)

當(dāng)兩個(gè)電極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上的電荷不會(huì)脫離電解液,超級(jí)電容器處在正常工作狀態(tài)，如果電容器二端電壓超過(guò)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(tài)。隨著超級(jí)電容器的放電，正負(fù)極板上的電荷被外電路泄放,電解液界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出超級(jí)電容器的充放電過(guò)程始終是物理過(guò)程，沒有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池不同。

1.2 主要特點(diǎn)

盡管超級(jí)電容的能量密度只有蓄電池的5%或者更少，但是這種儲(chǔ)能方式可以應(yīng)用在蓄電池性能不足的領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的能儲(chǔ)能件，超級(jí)電容器具有以下特點(diǎn)：

①是電容量超大。傳統(tǒng)電容器一般用微法為單位，而一般的超級(jí)電容器電容量很容易達(dá)到1F，比普通電容器的電容量大了3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可以達(dá)到5000F；

②是能夠快速充放電。超級(jí)電容器可以在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池要在這么短的時(shí)間內(nèi)完成充電是及其危險(xiǎn)或者是不可能的，也可以快速放電，進(jìn)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(huì)大大減小；

③是壽命很長(zhǎng)。充放電次數(shù)可以達(dá)到500 000次，而普通的蓄電池的從發(fā)電次數(shù)很難超過(guò)1000次；

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

另外，超級(jí)電容器的材料是安全無(wú)毒害的，不污染環(huán)境，具有綠色環(huán)保的功能，而且，超級(jí)電容器可以任意并聯(lián)來(lái)增加電容量，采取均壓措施后，還可以串聯(lián)使用。

2 超級(jí)電容器在工程裝備中的應(yīng)用

超級(jí)電容器已經(jīng)在生活中有著成功的應(yīng)用例子，在工程裝備領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，但由于它有普通儲(chǔ)能原件不具備的特性，相信在不久的將來(lái)，越來(lái)越多的超級(jí)電容器會(huì)應(yīng)用到工程裝備上。

2.1 在現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容車是上海世博會(huì)的一道亮麗的風(fēng)景線，與傳統(tǒng)汽車相比，這種超級(jí)電容動(dòng)力車符合現(xiàn)代新能源開發(fā)和節(jié)能減排的理念，"零排放"環(huán)保無(wú)污染（保證了高人口密度的世博園區(qū)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(zhǎng)、能夠快速充電（能夠利用在終點(diǎn)站或乘客上下車時(shí)間完成快速充電，充電時(shí)間30s－3min），并且在整個(gè)行駛過(guò)程中比較平穩(wěn)，保證了超級(jí)電容車的舒適度。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，新型小體積、低高度的柱形脈沖超級(jí)電容器已應(yīng)用于更加廣泛的高科技領(lǐng)域，為電容器制造領(lǐng)域開闊了廣泛的空間。

2.2 電容模組在工程裝備中的應(yīng)用

以下基本參數(shù)決定選擇超級(jí)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(shí)間多長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求來(lái)選擇不同規(guī)格的超級(jí)電容器，也可以根據(jù)需要把多個(gè)超級(jí)電容器并聯(lián)或者采取均壓措施后串聯(lián)起來(lái)，形成超級(jí)電容模組，以滿足不容的實(shí)際需求。一個(gè)單體超級(jí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于單體超級(jí)電容器提供的電壓，而且一個(gè)超級(jí)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(gè)超級(jí)電容器組合起來(lái)形成超級(jí)電容模組，才能滿足現(xiàn)實(shí)的要求，電容模組就是為了滿足現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用把多個(gè)超級(jí)電容器組合起來(lái)的。根據(jù)裝備需要的電流大小，放電時(shí)間和工作電壓區(qū)間就可以計(jì)算出所需電容器的數(shù)量，進(jìn)而配備出滿足要求的超級(jí)電容模組，凱美公司生產(chǎn)的超級(jí)電容模組如圖2所示。

圖2 凱美公司生產(chǎn)的超級(jí)電容器15V－58F低溫啟動(dòng)模組

在工程裝備內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)上，超級(jí)電容模組有著廣闊的發(fā)展空間，超級(jí)電容模組和蓄電池并聯(lián)，用于物質(zhì)運(yùn)輸車、坦克、步戰(zhàn)車和挖掘機(jī)等工程裝備的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源，這樣不僅能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫和蓄電池饋電的條件下正常啟動(dòng)，而且能夠有效降低蓄電池極板的極化，使啟動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)電壓得到提高，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)，有效地保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的壽命。啟動(dòng)過(guò)程中的電壓劇烈變化也是極強(qiáng)的電磁干擾，可以造成電氣設(shè)備掉電，迫使電氣設(shè)備在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后重新上電，計(jì)算機(jī)在這個(gè)過(guò)程中非常容易死機(jī)[2]。電容模組配合蓄電池啟動(dòng)時(shí)，能夠減小蓄電池電壓的劇烈變化，避免了對(duì)其它電氣設(shè)備的電磁干擾。另外，超級(jí)電容模組也可以單獨(dú)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)蓄電池已經(jīng)損壞的工程裝備進(jìn)行啟動(dòng)。超級(jí)電容模組可以作為為便攜式啟動(dòng)電源，應(yīng)用在野外作業(yè)、坑道作業(yè)和停車廠的工程裝備上，與傳統(tǒng)的蓄電池移動(dòng)啟動(dòng)電源相比，其重量輕、體積小、攜帶方便，另外，超級(jí)電容器的充電速度很快，在對(duì)裝備進(jìn)行啟動(dòng)的過(guò)程中能夠快速補(bǔ)電，重復(fù)使用起來(lái)非常方便。超級(jí)電容器可以通過(guò)充電器利用野外工程車中的發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，所以在使用的過(guò)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(jí)電容可以作為野外作業(yè)和野外生活的電源，彌補(bǔ)蓄電池不能快速充電的缺點(diǎn)。超級(jí)電容器還可以為一個(gè)臨時(shí)的指揮控制中心、野戰(zhàn)醫(yī)院供電。

3 存在的問(wèn)題

實(shí)際生產(chǎn)的超級(jí)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(jí)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(jí)電容制造技術(shù)的不斷發(fā)展，耐超低溫的這項(xiàng)技術(shù)難題不斷得到攻破，實(shí)際生產(chǎn)的超級(jí)電容器在－55℃溫度下依然可以使用。

結(jié)論。超級(jí)電容未出現(xiàn)以前，由于普通電容容量小，電容器在工程裝備中的應(yīng)用一直被限制在濾波、耦合、諧振等方面。超級(jí)電容器的出現(xiàn)，改變了普通電容器的應(yīng)用方向，為工程裝備提供了一種新形勢(shì)的電源。隨著對(duì)超級(jí)電容器研究的不斷深入和生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，更大容量、更高電壓的電容器很快就會(huì)出現(xiàn)，屆時(shí)工程裝備中將有超級(jí)電容器的一席之地。

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

[2]王鑫.超級(jí)電容器在汽車啟動(dòng)中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2006.04.