超級電容器儲能特性研究

摘要：基于超級電容器等效電路模型，本文推導(dǎo)了超級電容器等效阻抗函數(shù)，研究了恒流充電時的超級電容器的儲能基本特性。并結(jié)合實驗方法，對超級電容器的端電壓波動、容量、循環(huán)壽命、漏電流進行了廣泛測量。在理論分析與實驗對比的基礎(chǔ)上，根據(jù)超級電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)探討了部分特性變化的理論原因，為高效應(yīng)用超級電容器的儲能研究提供了科學(xué)依據(jù)。 敘詞：超級電容 恒流充電 新能源 Abstract：Based on equivalent circuit models of a super-capacitor, this paper has proposed an equivalent-resistance function for super-capacitors and investigated basic characteristics under constant-current charging conditions. By use of experimental testing methodology, termination voltage ripples, capacitance, cycle-lifetime and leakage current have been tested and analyzed. By comparing both theoretical and experimental results, the reason for partial characteristics variation of super-capacitors internal structure has been investigated and discussed. These chievements are essential for some critical applications of super-capacitors. Keyword：super-capacitor, constant-current charging, new energy
1 引言

采用電化學(xué)雙電層原理的超級電容器――雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor; EDLC)，也叫功率電容器(PowerCapacitor)，是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲能裝置。超級電容器集高能量密度、高功率密度、長壽命等特性于一身，具有工作溫度寬、可靠性高、可快速循環(huán)充放電和長時間放電等特點[1]，廣泛用作微機的備用電源、太陽能充電器、報警裝置、家用電器、照相機閃光燈和飛機的點火裝置等，尤其是在電動汽車領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用已引起舉世的廣泛重視[2]。

超級電容器的儲能原理不同于蓄電池，其充放電過程的容量狀態(tài)有其自身的特點。超級電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。由于超級電容器一般采用恒流限壓充電的方法，本文主要分析恒流充電條件下的超級電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制最高電壓為Umax，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級電容器充滿。采用這種充電方法的優(yōu)點是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級電容器內(nèi)部高溫而影響超級電容器的容量特性。

2 超級電容器原理及優(yōu)點

根據(jù)電極選擇的不同，超級電容器主要有碳基超級電容器、金屬氧化物超級電容器和聚合物超級電容器等類型，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的為碳基超級電容器。電化學(xué)雙電層電容器的性能在很大程度上取決于碳材料的性質(zhì)，電極材料的表面積、粒徑分布、電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性等因素都能影響電容器的性能[3]。

碳基超級電容器的電極材料由碳材料構(gòu)成，使用有機電解液作為介質(zhì)，活性炭與電解液之間形成離子雙電層，通過極化電解液來儲能，能量貯存于雙電層和電極內(nèi)部，其原理如圖1所示。當(dāng)用直流電源為超級電容器單體充電時，電解質(zhì)中的正、負(fù)離子聚集到固體電極表面，形成“電極/溶液”雙電層，用以貯存電荷。雙電層厚度的形成，依賴于電解質(zhì)的濃度和離子的尺寸，其容量正比于電極表面積，而與“電極/溶液”雙電層的厚度成反比；其貯能量受電極材料表面積、多孔電極孔隙率和電解質(zhì)活度等因素的影響[4]。

超級電容器是一種電化學(xué)元件，儲能過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且儲能過程是可逆的，因此超級電容器反復(fù)充放電可以達(dá)到數(shù)十萬次，且不會造成環(huán)境污染；超級電容器具有非常高的功率密度，為電池的10―100倍，適用于短時間高功率輸出；充電速度快且模式簡單，可以采用大電流充電，能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程，是真正意義上的快速充電；無需檢測是否充滿，過充無危險；使用壽命長，充放電過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有良好的可逆性；低溫性能優(yōu)越，超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行，容量隨溫度的衰減非常小。鑒于其優(yōu)良特性，超級電容器非常適合在多種系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖1 雙電層電容原理圖

3 超級電容器恒流充電特性分析

3.1 等效電路模型

超級電容器單體的基本結(jié)構(gòu)：集電板、電極、電解質(zhì)和隔離膜[5]。超級電容的儲能原理基于多孔材料“電極/溶液”界面的雙電層結(jié)構(gòu)，從阻抗角度分析，參考S.A.Hashmi等人的模擬電路，等效電路為一般的RC電路[6]。

超級電容器的等效模型如圖2所示。其中，EPR為等效并聯(lián)內(nèi)阻，ESR為等效串聯(lián)內(nèi)阻，C為等效容抗，L為電容感抗。EPR主要影響超級電容器的漏電流，從而影響電容的長期儲能性能，EPR通常很大，可以達(dá)到幾萬歐姆，所以漏電流很小。L代表電容器的感性成分，它是與工作頻率有關(guān)的分量。

圖2 超級電容器的等效模型

3.2 等效串聯(lián)電阻對充電過程影響分析