超級電容技術(shù)分析及應(yīng)用
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電池比較笨重，電容比較輕巧。
電池與電容的很多差異可以用Ragone圖來形象地說明(如圖2所示)。Ragone圖常用于分析，但是實(shí)際上，Ragone圖是Y軸上的能量密度(單位是Wh/kg)與X軸上的功率密度(單位是W/kg)二者之間的雙對數(shù)(log-log)關(guān)系圖。由于是雙對數(shù)坐標(biāo)圖，放電時(shí)間可以表示為直線對角參數(shù)。
圖2：Ragone圖表示儲能器件的能量密度與功率密度之間的對數(shù)-對數(shù)關(guān)系，其中放電時(shí)間表示為斜對角線。該圖也十分便于比較電池與超電容的特性。
圖2中的Ragone圖表示不同種類的化學(xué)電池(聚集在圖的左側(cè))和不同種類的電容(圖的右側(cè))之間的差異。根據(jù)Ragone圖綜合來看，這些特性使得電池和超電容之間構(gòu)成了互補(bǔ)的而不是對立的關(guān)系。實(shí)際上，這就是它們得以普遍應(yīng)用的原因。
最新應(yīng)用
超電容最主要的應(yīng)用是用來穩(wěn)定直流總線電壓。超電容已在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于保護(hù)各種引擎控制部件和微控制器免受瞬態(tài)負(fù)載突變導(dǎo)致的電壓暫降的干擾。(電壓尖脈沖由其他方法來處理。)
這些瞬態(tài)負(fù)載突變通常與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。但是，如果車載娛樂系統(tǒng)的揚(yáng)聲器輸出功率比較強(qiáng)，那么這種負(fù)載也可能來源于音頻脈峰。與在車載娛樂系統(tǒng)的12V電壓輸入端簡單放置一個(gè)超電容不同的是，一份來自澳大利亞超電容制造商Cap-XX的應(yīng)用說明給出了一種增大D級輸出放大器H橋電壓的方法(如圖3所示)。其中采用了一個(gè)小型的升壓轉(zhuǎn)換器，將偶然脈峰所需的功率存儲在一對超電容內(nèi)。
圖3：在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，超電容常與微控制器結(jié)合使用，以保護(hù)它們不受總線電壓突降的影響。圖中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)一步采用了一個(gè)小型的升壓轉(zhuǎn)換器對兩個(gè)超電容進(jìn)行“升壓”，之后這兩個(gè)超電容為D級音頻放大器中的H橋供電。
另外在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，超電容具有快速吸收和釋放能量的能力，比電池更適合于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)機(jī)制。大多數(shù)這類用途已經(jīng)在公共運(yùn)輸行業(yè)得以應(yīng)用(如圖4所示)。德國曼海姆市輕軌系統(tǒng)中的Bombardier有軌電車采用600個(gè)2600F的超電容組實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收機(jī)制。所存儲的能量被用于車輛的加速推進(jìn)以及無動(dòng)力路段和交叉路口的動(dòng)力銜接。這是一種全電氣化的軌道系統(tǒng)，回收的剎車能量減少了所需的輸電網(wǎng)絡(luò)。從這一點(diǎn)上來看，該原型系統(tǒng)證明能夠達(dá)到30%的節(jié)能效果。
圖4：在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，超電容對于再生制動(dòng)技術(shù)是非常有用的，因?yàn)樗軌虼鎯囕v制動(dòng)的能量并在需要的時(shí)候釋放大量的能量。
曼海姆將超電容安裝在有軌電車的車身上，另外一種方法就是將超電容安裝在軌道兩旁。在演示這一實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，西門子運(yùn)輸系統(tǒng)公司在其Sitras SES系統(tǒng)中采用超電容實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的回收裝置，并應(yīng)用于科隆和馬德里的地鐵線路上。在典型的軌道旁實(shí)現(xiàn)方案中，超電容能夠吸收半徑3km以內(nèi)所有列車的制動(dòng)能量。
在美國的混合交通運(yùn)輸應(yīng)用中，運(yùn)行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在車輛毛重情況下，這種巴士能夠在17秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)0到31mph的加速度，并且能夠達(dá)到62mph的最大速度。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，基于超電容的系統(tǒng)相比基于電池的混合電動(dòng)系統(tǒng)具有更高的平均燃料效率。利用這種超電容加上電池設(shè)計(jì)的混合巴士汽車能夠回收38%的推進(jìn)能量，這相當(dāng)于將燃料效率平均提高了3.9英里/加侖。
ISE研發(fā)了自己的熱控模塊，每個(gè)模塊采用了144個(gè)18F的超電容。這種模塊在400A的電流下能夠提供360V的電壓。一對這樣的模塊相互串聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)720V的額定電壓(800V峰值電壓)。這種雙組件結(jié)構(gòu)支持高達(dá)300kW功率水平下的充放電周期，能夠存儲約0.6kWh的能量。
再生制動(dòng)技術(shù)能夠回收動(dòng)能。這類應(yīng)用還能夠回收勢能。最近的一個(gè)實(shí)例是應(yīng)用在鏟車上，但是更廣泛的潛在應(yīng)用市場是建筑電梯系統(tǒng)。
在鏟車應(yīng)用領(lǐng)域，General Hydrogen推出了一種新型的“Hydricity Packs”燃料電池系統(tǒng)，其大小能夠直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)設(shè)備中的鉛蓄電池。其中的超電容組能夠在每次裝卸叉攜帶托盤下降時(shí)存儲勢能，在提升重物需要增強(qiáng)功率時(shí)釋放能量。圖5給出了典型的鏟車功率使用分布圖，很好地說明了燃料電池和超電容二者的協(xié)同作用。
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