超級(jí)電容電池知識(shí)全解析

七、超級(jí)電容電池的泄露電流現(xiàn)象

當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì)穩(wěn)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(jí)電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)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(shù)上升。

當(dāng)溫度升高時(shí)，穩(wěn)定到均衡值的時(shí)間會(huì)減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)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(jù)不同的 超級(jí)電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計(jì)者在為能量采集電路挑選超級(jí)電容時(shí)，應(yīng)考慮測試這個(gè)最小充電電流。

八、超級(jí)電容電池的充電

一個(gè)放電的超級(jí)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(如太陽能電池和微發(fā)電機(jī))都可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路，從0V起為一只超級(jí)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(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路，從而為超級(jí)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(dāng)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(zhuǎn)換器，它對能量源是一個(gè)恒定功率的負(fù)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(jí)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)簡單而有效的充電電路，用于太陽能電池陣列的開路電壓小 于超級(jí)電容額定電壓的情況。二極管可防止超級(jí)電容在太陽能電池?zé)o光照情況下對其反充電。如果能源的開路電壓大于超級(jí)電容的電壓，則超級(jí)電容需要采用分流穩(wěn) 壓器做過壓保護(hù)。分流穩(wěn)壓器是過壓保護(hù)一種廉價(jià)而簡單的方案，一旦超級(jí)電容充滿電，就無所謂是否消耗了過多的能量。

能量采集器就像一根能無限供水的水管，為一個(gè)水槽注水(好比一只超級(jí)電容)。如果水槽滿了，水管仍開著，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(wěn)壓器。

在電路里，超級(jí)電容為0V，從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級(jí)電容的充電，電流下降，這取決于太陽電池芯的電壓/電流特性。但超級(jí)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太陽能電池芯，因?yàn)樗鼉?nèi)含了一個(gè)電壓基準(zhǔn)，只需要約3μA的靜態(tài)電 流，并且它是一種漏極開路電池芯，當(dāng)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)，輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管，因?yàn)樗谛‰娏鲿r(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(jī)很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，因?yàn)闄C(jī)器在工作時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。給出了一只微發(fā)電機(jī)的電壓-電流特性，它類似于一只太陽能電池 芯，能夠?yàn)橐粋€(gè)短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機(jī)還帶有一個(gè)二極管橋，可防止超級(jí)電容為發(fā)電機(jī)反向充電，這就得到了一個(gè)簡單的充電電路。

當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì)穩(wěn)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(jí)電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)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(shù)上升。當(dāng)溫度升高時(shí)，穩(wěn)定到均衡值的時(shí)間會(huì)減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)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(jù)不同的 超級(jí)電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計(jì)者在為能量采集電路挑選超級(jí)電容時(shí)，應(yīng)考慮測試這個(gè)最小充電電流。

九、超級(jí)電容電池帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電革命

作為新興儲(chǔ)能元件，超級(jí)電容具有循環(huán)壽命長，充放時(shí)間快等特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)狹小的密閉有限空間輪轂控制柜內(nèi)，超級(jí)電容更具有適應(yīng)溫度范圍廣，體積小容量大，可焊接，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)中，超級(jí)電容不會(huì)過充，過放影響壽命，充放電過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(nèi)部造成二次污染，超級(jí)電容以保持穩(wěn)定的直流電壓，保證變槳伺服電機(jī)的正常運(yùn)作。

超級(jí)電容的基本工作原理是碳碳雙電層原理，存儲(chǔ)過程可逆，分析時(shí)采用RC模型，包括理想電容C等效串聯(lián)內(nèi)阻RESP，等效并聯(lián)內(nèi)阻REPR，RESP影響超級(jí)電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長期靜止存儲(chǔ)。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(chǔ)能。這種儲(chǔ)能模式具有快速充電/放電能力、高可靠性和長循環(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(jí)電容以后針對于風(fēng)能隨機(jī)性強(qiáng)力，環(huán)境惡劣，溫度濕度變化大，鹽霧污穢侵蝕嚴(yán)重等因素對供電模塊影響。可以得出超級(jí)電容相比鉛酸蓄電池更加穩(wěn)定，實(shí)用性和可行性更強(qiáng) 可以預(yù)見超級(jí)電容的應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越成熟的發(fā)展中所占的比例將逐漸上升。所以超級(jí)電容做為風(fēng)力發(fā)電機(jī)后備電源具有很強(qiáng)的可行性。

十、超級(jí)電容電池變革新能源汽車

超級(jí)電容在新能源汽車中主要有三類應(yīng)用：一是作為動(dòng)力設(shè)備，如上海11路公交即為超級(jí)電容大巴，車輛運(yùn)行中途充電只需30秒，一次充電可行駛5~8公里，既節(jié)能環(huán)保又兼顧城市景觀;二是作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助驅(qū)動(dòng)，在汽車快速啟動(dòng)時(shí)提供較大的驅(qū)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(dāng)汽車需要加速時(shí)，再將這些儲(chǔ)存的能量釋放出來，提高了能源的使用效率。

十一、超級(jí)電容電池展望有軌電車未來

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全球已有超過60個(gè)國家、300個(gè)城市運(yùn)營現(xiàn)代有軌電車;國內(nèi)已有50多個(gè)城市開展了有軌電車的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營。國內(nèi)正在建設(shè)的超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車項(xiàng)目：武漢市大漢陽區(qū)有軌電車T1線，全長19km，已采購超級(jí)電容車輛21列;寧波市鄞州區(qū)有軌電車示范線，全長8km，已采購超級(jí)電容車輛10列;東莞市松山湖華為工業(yè)園區(qū)線，全長5km，已采購超級(jí)電容車輛5列;深圳市龍華新區(qū)有軌電車T1線，全長約12km，計(jì)劃配超級(jí)電容車輛15列;武漢市東湖高新區(qū)有軌電車T1/T2線，全長16/19km，計(jì)劃配超級(jí)電容車輛26列;廣州2020年前規(guī)劃約500公里有軌電車線網(wǎng)，計(jì)劃配超級(jí)電容車輛約500列等等。國外及港澳臺(tái)正在建設(shè)的超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車項(xiàng)目：臺(tái)灣高雄有軌電車環(huán)線，全長22km，已采購超級(jí)電容車輛約30列(CAF);卡塔爾多哈有軌電車線，全長12km，已采購超級(jí)電容車輛18列(SIEMENS)。

目前已經(jīng)運(yùn)營或試運(yùn)行的超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車有：廣州海珠(7.7km，已運(yùn)營);江蘇淮安(20.3km試運(yùn)行)。

全球首條超級(jí)電容儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營線-廣州海珠線運(yùn)行情況：運(yùn)營時(shí)間： 9：00-21：00;上線數(shù)量： 工作日4+1列，周末6+1列;運(yùn)營里程：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2萬張票(7列車);車輛電耗：3度/公里↓30%。

超級(jí)電容儲(chǔ)能式有軌電車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(jí)電容電池助力混動(dòng)力汽車發(fā)展

HEV的由來，一個(gè)方面是從能源危機(jī)，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的分類現(xiàn)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(jí)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)際工況相對來說比較復(fù)雜。溫度方面，工作溫度需求區(qū)域就比較寬。

根據(jù)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(shè)計(jì)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(xù)使用15年以上。二是大功率充放電性能。三是工作適應(yīng)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(wěn)定問題，純電動(dòng)和混合電動(dòng)都出現(xiàn)過安全事故，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)過充電-放電-充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。

目前在HEV使用的配套電池解決方案應(yīng)該差不多有十種左右，一個(gè)是鉛酸電池;二是傳統(tǒng)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(fù)極材料;四是以三元鎳鈷錳酸鋰為正極材料，石墨為負(fù)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(fù)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(fù)極不同而已。七是超級(jí)電容器和其他二次電池的搭配使用，用到混合電動(dòng)車上。當(dāng)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(jié)：電池是動(dòng)力的源頭，而電容作為存儲(chǔ)電量的基本，其重要性當(dāng)然是非常重要的，如果電容和電池的特點(diǎn)能夠結(jié)合，那么肯定是非常具有誘惑力的，這就是超級(jí)電容電池的最大潛力，所以說，如果這種電池能夠得到普及的話，那必將會(huì)帶來一個(gè)革命。