超级电容器范文

导语：如何才能写好一篇超级电容器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

摘 要：本文主要对超级电容器领域的相关专利申请的分析进行了梳理，并进行了举例说明。超级电容电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料，本文主要介绍了碳材料在超级电容器领域的应用，并具体从活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个分支分别介绍了超级电容器。

关键词：超级电容器;碳材料;活性炭;碳纤维;碳气凝胶;碳纳米管;石墨;专利申请

1 不同电极材料在超级电容器上的研究与应用

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作电极材料的，碳材料电极先后出现了多孔碳材料、活性炭材料、纳米碳纤维、碳纳米管等多种材料。碳材料的特征主要表现为双电层特性，双电层电容器充电时在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容储能，其电荷及电位分布如图1（a）所述。加上直流电压后，经过一段时间在2个极化电极与电解液的界面上就会形成新的双电层，其电荷与电位分布如图1（b）所示。充电时通过外部电源，电子从正极转移到负极，同时，溶液中的正负离子各自反向扩散到电极表面，能量以电荷形式存储在电极材料与界面之间。由于电极电荷和溶液中反电离子的相互作用，离子不会迁移到溶液中去，保证双电层的稳定。

目前已经公开的有关碳基材的超级电容的申请有2560篇，其中多孔碳因具有较高的比表面积和孔隙率，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉、原料丰富、适合大规模生产等优点依然是超级电容器的热门电极材料。何孝军等人采用花生壳为原料、KOH为活化剂，所得多孔炭材料作为超级电容器电极材料表现出较好的稳定性（CN102417178）。而且，作为多孔碳的一种，活性炭作为超级电容的电极材料有着更进一步的优势，将具有1600cm2/g特定表面的活性碳细微粒子放入模具，不使用任何粘结剂，施加300kg/cm2的压强，分别供给一个90秒钟的750A的离子脉冲电流和一个120秒钟的1000A的热电流，从而产生一个薄圆盘形的细微碳粒子的多孔烧结体，即得到活性炭电极（JPH0378221 A五十铃汽车有限公司）。然而，活性碳系列的材料导电性较差，所得电容器等效串联电阻大。而且该活 性碳系列的比表面积实际利用率不超过30%，电解质离子难以进入，因此不 适于用作超级电容器的电极材料。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）的出现为超级电容器的开发提供了新的机遇，它具有良好的导电性能且本身的比表面积大，制得的超级电容器 具有较高的比电容量和电导率。（CN101425380清华大学）

然而，无论怎样，以碳材料作为电极材料虽然有诸多优点，但是由于其只利用双电层储存能量，在性能方面有所限制，因此出现了金属氧化物材料的电极开发与研究。

1.2 金属氧化物材料

法拉第赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物上，比如氧化钌，氧化镍，二氧化锰等。他们不同于双电层电容器中碳材料电极那样存储能量，而是在电容器进行充放电时，金属氧化物与溶液的界面处发生可逆氧化还原反应，从而获得更大的比容量。目前世界范围内关于金属氧化物材料的超级电容的专利申请量为413篇。刚开始研究的电极材料是氧化钌材料，然而，由于钌金属属于贵金属材料，虽然其拥有良好的效果，由于价格昂贵，很大的程度上制约了钌金属电极材料的应用。所以，后来人们开始将目光转向其他的廉价金属以替代氧化钌，或者利用碳材料或其他金属化合物与其进行复合，在提高电极材料的同时，减少氧化钌的用量从而降低超级电容器的制造成本。比如，以二氧化锰作为电极材料，形成超级电容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应，其比电容远高于活性炭电极的比电容。

1.3 导电聚合物材料

导电聚合物超级电容器与金属氧化物电容器同属于赝电容型超级电容器，因其良好的固有导电率和高能量密度，同时又有相较于金属氧化物更低成本的特征，成为了一种常用的电极材料。距今为止，有关导电聚合物电极材料的专利有250篇。导电聚合物超级电容器的最大优点就是能够在较高的电压下进行工作，克服金属氧化物超级电容器工作电压不高的问题。对阴极基材表面进行化学蚀刻，如涂覆腐蚀性物质或实施电化学蚀刻等，然后涂覆导电聚合物涂层，所述导电涂层包含烷基取代聚（3，4-乙烯二氧噻吩），采用这种聚合物，得到比许多传统涂层材料更高的电容（CN103310985 AVX公司）。通过使用规定的导电性高分子结合于表面，并且具有规定的直径的细孔容积为特定的比率的多孔质碳材料作为电极材料，可获得具有高静电容量，循环特性优异的双电层电容器。所述电性高分子为选自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它们的衍生物中的至少1种（WO2012050104 横滨橡胶株式会社）。

1.4 复合材料

为了进一步增大超级电容器的能量存储，使其具有赝电容性能以及双电层特性，单一材料作为电极材料不再满足人们的需求。制备利用碳材料作为基体的复合材料不仅增加了活性材料的有效利用，也增加了复合材料的导电率以及机械强度，现今，已有大量的文献和专利对碳材料作为基体来改善复合材料的电化学性能进行了研究，仅涉及复合材料的专利申请量就达到了355篇。例如，通过使氧化钌和特定的碳材料复合化，可以使氧化钌的比表面积和电极物质的空间这两者扩大，从而通过纳米复合化来实现电荷利用率的提高（CN1964917B 国立大学法人东京农工大学）。因此，未来对于超极电容器复合电极材料的研究可能会吸引越来越多的目光。

2 碳电极材料在超级电容器上的研究与应用

理论上，电极材料的比表面积越大，容量越大，越适合作为电容器电极材料。实际上，研究发现，高比表面积的碳材料的实际利用率并不高，因为碳材料的孔径分为微孔（<20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中对于形成双电层有利可以作为超级电容器电极的只有大于20nm孔径的材料，因此在提高比表面积的同时还要同时调控孔径的分布。目前，已有多种不同类型的碳材料应用于超级电容器电极材料上，关于碳电极材料的相关专利申请主要集中在活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个方面。如图2所示，不同的碳电极材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多孔材料，一般在多孔碳的比表面积大于500m2/g时被称为活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面积，因此，通常使用包含活性炭的电极材料用作超级电容器的电极，使其表面与电解质接触（KR20100011228 LS美创有限公司）。然而活性炭的导电性不强，因此在利用活性炭制得电极时，可以对普通活性炭进行化学改性，使之具有良好的导电性、较高的表观密度和高比容量，并加入乙炔黑等导电剂以增强活性炭电极的导电性（CN1419256 A成都茵地乐电源科技有限公司）。

而且，活性炭的来源十分广泛，作为超级电容器的关键材料直接影响到超级电容器的性能。目前，常用的活性炭的制备原材料主要来自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如冲绳产或其它的来源）获得的原料经碳化获得碳化物，将碳化物进行碱活性化得到活性炭（CN101503189 产业技术研究所股份有限公司）;以小麦面粉、玉米面等为原料制备超级电容器用活性炭（US8318356B2 康宁股份有限公司）;利用低密度农业废弃物，通过二氧化碳或者水蒸气活化从而制备活性炭（US6537947B1 迪尔公司）。因此，活性炭的来源广，成本低，也是其一直备受青睐的重要原因。

2.2 碳纤维

碳纤维属于高效吸附性材料，由于其表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合其他原子和原子团，因此碳纤维具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高导电性碳纤维作为负极活性物质，所制得的超级电容器的库仑效率将提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本电池株式会社）。通过添加细微碳纤维来改善充放电容量、改善电极极板强度，这里提到的细微碳纤维，一般是利用烃的热分解气相法制造的（JPH5-321039 昭和电工株式会社），这种碳纤维的直径通常为0.01-5um。然而，为了提高电池或电容的充放电容量，以提高负极材料的结晶性来提高容量时，不仅仅是负极材料，进而对添加材料也要求具有放电容量高的材料。因此，对于其添加材料的碳材料，提高其结晶性并获得导电性好的细微碳纤维是十分有必要的（CN1343269 A昭和电工株式会社）。现在，关于碳纤维作为超级电容器电极领域的研究仍然吸引着众多学者的关注，有关的专利申请量为157篇。

2.3 碳气凝胶

碳气凝胶是由美国人Pekala首先发现的一种新型纳米多孔材料，一经出现立刻引起各国研究工作者的浓厚兴趣。通过调整碳气凝胶的孔隙大小，其具有更优良的导电性（JP2011159960 三星电机株式会社）。另外，由于经过溶胶-凝胶化反应得到的碳气凝胶材料一般呈块状，这时需要把块状气凝胶球磨成微米级粉末（～10μm），不仅费时费力，还费钱。因此出现了一种直接制得粉末状碳气凝胶的制备方法，可以满足应用多样化的需求（CN103449406 A 中山大学）。但是，现阶段制备碳气凝胶的工艺较为复杂，在制备碳气凝胶的前驱体时通常采用超临界干燥技术，该方法成本高，过程复杂，生产周期长，规模化生产难度大，并且具有一定的危险性，因此各国的研究者都在探索常压干燥代替超临界干燥的制备工艺。

2.4 碳纳米管

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）以来，其具有的优良的机械和光电性能，被认为是复合材料的理想添加物。纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此，按照石墨烯片的层数，碳纳米管材料可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。为了获得更高的电容量，将碳纳米管与一结合剂混合，模制成一平板价型，制得电极，其中碳纳米管可以是单壁或者多壁碳纳米管（CN1317809株式会社日进纳米技术）。将碳纳米管将单壁碳纳米管与甲醇溶液混合搅拌制得单壁碳纳米管的分散液，将此分散液在减压气氛中通过PTFE滤纸得到一纸膜压单壁碳纳米管片材，将该片材放置于刻蚀铝箔的表面，然后设置隔膜等，制得超级电容器（US2010259867 A1 日本化工株式会社）。以多壁碳纳米管为原料，与浓硫酸和浓硝酸混合加热，获得预氧化的碳纳米管，清洗后与插层剂混合烘干后二次加热，膨胀后得到石墨烯纳米带，活化处理后得到多孔石墨烯纳米带制备超级电容器（CN103332689中国科学院宁波材料技术与工程研究所）。或者将单层碳纳米管与多层碳纳米管混合，与粘结剂作用制得电极材料（JP2008010681 A爱考斯研究株式会社）。

2.5 石墨

单层石墨材料作为新型的超级电容器的电极材料，是利用其二维结构，具有极大的比表面积，低比重，单片片层厚度在0.34nm～2nm之间分布，表面的官能团存在使单层石墨材料与电解液充分润湿。与传统的活性炭作为电极材料的超级电容器相比节省能源;与碳纳米管

作为电极材料的超级电容器相比，成本低廉。新型的超级电容器性能

良好，具有很高的比电容及高的能量密度（可达50Whkg-1），其比功率更可高达40kWkg-1（CN101383231 南开大学）。

3 总结

篇2

关键词：超级电容器 赝电容器 原理 特点 应用

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-029-02

超级电容器的发展始于20世纪60年代，作为一种新型储能器件，其主要介于传统电容器与电池间。与传统电容器比较可得，超级电容器具备电容量大（为2000-6000倍同体积电解电容器）、功率密度高（为10-100倍电池）、充放电电流量大、充放电循环次数高（大于105次）、充放电效率高、免维修等优点。在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。

1 超级电容器分类

就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。

就电能机理而言，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容（贵金属氧化物及贵金属电极）；电容产生机理是以电活性离子在贵金属电极表面的欠电位沉积现象或在贵金属氧化物电极体相及其表面的氧化还原反应为依据的吸附电容。与双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。

就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。对称型超级电容器即为两个电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极反应不同、电极组成不同。

超级电容器可用电压的最大值取决于电解质分解电压。电解质可为强碱、强酸等水溶液，亦或盐的质子惰性溶剂等。通过水溶液体系，超级电容器可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，超级电容器可获取高电压，并获取高比能量。

2 超级电容器的原理

就存储电能的机理而言，超级电容器分为赝电容器及双电层电容器。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象，探析其原理。

2.1 双电层电容器原理

双电层电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是通过电解质与电极间界面双层得以实现。若电解液与电极间相互接触，因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在，其势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。

双电层电容器的电极材料主要是多孔碳材料（碳气凝胶、活性炭纤维及炭粉末等活性炭、碳纳米管）。通常情况下，就双电层电容器的电极材料而言，其孔隙率影响着其容量大小，即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是，孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言，但电极材料的孔径大小却保持在2-50mm范围内，其对孔隙率的提高、材料有效比表面积的提高及双电层电容的提高意义至关重要。

2.2 赝电容器原理

赝电容（法拉第准电容），主要是指在电极材料体相、表面准二维或二维空间内，以欠电位沉积电活性物质为依托，发生高度可逆的氧化脱附、化学吸附或还原反应，从而产生一个与电极充电电位间存在一定关系的电容。因一切反应均发生于整个体相内，则其最大电容值相对更大，如：吸附型准电容为2000*10-6F/cm2。就氧化还原型电容器而言，其最大电容量更大。已经被公认了的碳材料比容值为20*10-6F/cm2，则在重量级体积相同条件下，赝电容器容量等同于10-100倍双电层电容器容量。现阶段，赝电容器的电极材料主要是导电聚合物及金属氧化物。

近年来，超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合物产品电子电导率极好其电子电导率不典型数值高度1-100S/cm。以还原反应及电化学氧化反应为依托，在电子轭聚合物链上，导电聚合物引入负电荷及正电荷中心，此时，电极的电势决定了负电荷及正电荷中心的充电程度。导电聚合物能量存储的途径为法拉第过程。现阶段，能够于较高还原电位条件下高稳定低发生电化学n型掺杂的导电聚合物数量相当少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3 超级电容器的特点

3.1 优点

（1）容量超高：超级电容器容量范围处于0.1-6000F，其等同于同体积电解电容器的2000-6000倍。

（2）高功率密度：超级电容器主要提供瞬时大电流，其短时断流高达几百至几千安培，且其功率密度等同于电池的10-100倍，即10*103W/kg。

（3）高充放电效率，长使用寿命：超级电容器充放电过程对电极材料结构无任何负面影响，且电极材料使用次数对使用寿命无任何负面影响。

（4）温度范围宽，即-40-70℃：温度对超级电容器电极材料反应速率的负面影响程度较轻。

（5）环保、免维护：超级电容器材料无毒、安全、环保。

（6）可长时间放置：超级电容器因长时间放置而导致起电压下降，但只需对其充电便可使其电压复原，且超级电容器容量性能不会因此受到任何影响。

3.2 缺点

超级电容器的缺点主要是漏电流量大、能量密度低级单体工作电压低等。

4 超级电容器的应用

超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，例如：充当记忆器、计时器、内燃机启动电力；电脑等电子产品；航空；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在本案，笔者就超级电容器于消费电子、电动汽车及混合电动汽车、电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探讨。

4.1 消费电子

超级电容器凭借着自身循环寿命长、储能高、质量轻等优点而被广泛应用于微型计算机、存储器、钟表及系统主板等备用电源领域。超级电容器的充电时间较短，但充电能量较大。若因主电源接触不良或中断等因素而导致系统电压降低，则超级电容器将起后备补充的作用，以防止仪器因突然断电而受到损坏。图1为电路中超级电容器应用原理图。

超级电容器完全可以代替电池而成为新型环保型小型用电器电源，且数字钟、录音机、电动玩具、照相机及便携式摄影机等电源都可选取超级电容器，理由是超级电容器具备经济性高及循环寿命长等优点。若将超级电容器与电池联用，其使用效果极佳，即允许长期供电、蓄电池容量大、克服超大电流放电相关局限等。若将超级电容器应用于大功率大脉冲电源，尤其是某些无线技术便携装置，其应用效果不言而喻。

4.2 电动汽车及混合电动汽车

超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能最大程度满足电动汽车动力电源的需要。就电动车加速、启动或爬坡等高功率需求环节，超级电容器为其提供了极大的方便。如果将超级电容器配合动力电池使用，则电池受到大电流充放电的负面影响将大幅度降低。此外，在再生自动系统的协助下，可将瞬间能量回收，以提高超级电容器能量利用率。

4.3 电力系统

随着超级电容器的问世，电解电容器已逐渐被超级电容器所取代。若将超级电容器应用到高压开关站或变电站硅整流分合闸装置中，其将发挥储能装置的作用，并能有效地解决电解电容器因漏电流大及储能低等缺点而引发的分合闸装置可靠性降低等缺陷，且能最大化规避相关安全事故的发生。与此同时，若以超级电容器取代电解电容器，其不仅能够保持原装置的简单结构，且能有效地减少电力系统的维护量，并能大幅度降低电力系统运行成本。

超级电容器在分布式电网储能中的应用很广，且其应用效果极佳。分布式电网系统以多组超级电容器为依托，以电场能形式为主要手段，将能量一一储存起来，并在能量紧缺的情况下，通过控制单元，将能量释放出来，以此为系统提供足够的能量，从而确保了系统内电能平衡机控制的稳定性。

4.4 内燃机车启动

通常情况下，内燃机车柴油发电机组启动主要依靠蓄电池组。但因蓄电池向外放电所需时间较长，尤其是冬天，其时间要求更是严格，则其使用效果不理想，且其经济性及环保性不高。针对这一点，德国研究人员首先做出了将超级电容器应用于汽车启动上的尝试，他们试图通过超级电容器解决怠速汽车因停车导致的能源浪费等问题。实验结果显示，超级电容器蓄电池组质量仅为1/3传统车用蓄电池组，但其实现了将启动机启动扭矩提高1/2，从而有效地增加了内燃机车启动转速。

篇3

关键词： 超级电容器； 充放电电路； PWM控制； DSP

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0160?03

Method of current charging and discharging test of super?capacitor

TIAN Xiao1， SUN Yi2

（1. The Open University of China， Beijing 100031， China； 2. Chinese Electrotechnical Society， Beijing 100823， China）

Abstract： The super?capacitor has larger capacity than traditional capacitor， but traditional methods can not be used to test the super capacitor accurately because of its obvious "non conductive absorption" energy storage mode. According to the working principle of the super capacitor， a method for super?capacitor test is presented in this paper， in which Buck converter is used to achieve constant current charging of the super?capacitor， Boost converter is used to analog active electronic load and achieve constant current discharging of the super?capacitor， SG3525 chip is used to produce the PWM control waveform to realize constant current charging and discharging， and DSP （TMS3210C2812） is used to complete the data processing. This method can ensure the amplification accuracy， effectively suppress the common mode noise， and achieve the accurate test of the super?capacitor’s capacity and internal resistance in the different charging or discharging current

Keywords： super?capacitor； charging and discharging circuit； PWM control； DSP

0 引 言

当今社会，能源问题越来越受人类的关注。超级电容器作为一种新型的绿色储能元件，由于其不可替代的优良特性，针对其的研究和认识越来越深刻。LI，NIMH诸如此类的新型电池已经在大家的生活中广泛应用。但由于其原理为电化学反应，在使用寿命及环境友好方面是存在缺陷的。而超级电容器具有使用寿命长、环境良好、功率密度高、充电速度快等优点，并且在短时间内可以瞬时释放能量、高低温性能好，所以在能量供应方面的优越性得到越来越多国家、军事部门及工业界的重视。经过多年的发展，现在在混合电动车、武器及不间断电源等领域具有潜在的广泛应用前景。

1 超级电容器的结构

根据构造的不同，超级电容分为两类：双电层电容与法拉第准电容[1]。前者在外加电压作用下，一层电荷在电极上，另一层电荷在溶液里，所以称之为双电层[2]，整个过程是简单的物理储能。后者被称为电化学电容。在相同电极面积下，法拉第准电容可达到双电层电容量[3]的上百倍。现在广泛认可的超级电容器模型如图1所示，在大部分测试中，可以忽略EPR的影响。

图1 超级电容器典型模型

图中ESR表示等效串联电阻，它会降低超级电容器实际可用的有效储能率，值较小；EPR[3]表示等效并联电阻，它会产生静态漏电流，在超级电容器处于静止储能状态时会造成电能的损失，其值较大；C表示超级电容的电容量。

2 恒流充放电性能测试

恒流源作为一种稳定的电源，他的输出与外接负载无关。由于市场需求，恒流源在近几年发展比较迅速，由原先的镇流管发展到半导体集成电路。恒流充放电测试法是一种比较直观准确的超级电容器的测试方法，它测量的指标主要有在充放电过程中，电容量与内阻的变换规律。

2.1 充电电路

如图2所示，恒流充电电路采用Buck电路的拓扑[4]，开关K采用功率开关管Mosfet，二极管采用快恢复型，通过实时采样由电感输出的电流值，与PWM波产生芯片SG3525的基准电压进行比较，输出PWM波，再经过芯片IR2110驱动并控制功率开关管的导通与关断。通过仿真可得以下超级电容器恒流充电的图形如图3和图4所示。

图2 超级电容器传统恒流充电电路原理图

图3 超级电容器恒流充电电流波形

图4 超级电容器恒流充电电压波形

2.2 放电电路

对于超级电容器恒流放电电路，其工作原理图如图5所示。

图5 超级电容器恒流放电原理图

超级电容器恒流放电电路，电流响应波形与超级电容器端电压波形如图6和图7所示。本文主要讨论电容量与内阻是不是会随着充放电电流的变化而有所变化。

一般情况下，选定的测试电流值为0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

图6 超级电容器恒流放电电流波形

图7 超级电容器恒流放电电压波形

3 电容量性能测试

超级电容器在不同放电电流作用下的电容量曲线如图8所示。由图可知，当测试电流小于峰值电流时，超级电容器的电容量[5]基本保持不变，当测试电流超过峰值电流的情况下，超级电容器的电容量迅速下降，这是因为当测试电流大于或者等于峰值电流的情况下，放电时间过短，放电电路电流还未达到稳定。通过图8看出，在实际应用场合，可以认为超级电容器的电容量是保持恒定的。

图8 超级电容器在不同放电电流下电容值

4 超级电容器内阻

本文采用阶跃信号激励测试超级电容器内阻，如图9，图10所示。

图9 超级电容内阻测试阶跃信号

图10 超级电容阶跃响应

仿真超级电容器在上述不同测试电流阶跃信号下[6]，计算内阻的值，经过拟合得到的结果如图11所示。

图11 超级电容器放电电流

从图中可以看出，当有小电流作用时，超级电容器内阻较将有较大变动幅度，在中等电流作用时，超级电容器内阻变动幅度不大。

5 结 论

根据以上分析结果可知，超级电容器的电容量特性、内阻特性有如结论：超级电容器的电容量在不同的充放电电流作用下，变幅很小，所以在实际应用的场合，可看作定值。超级电容器在不同的充放电电流作用下，由于内阻的存在，会使电压产生一定范围内的突变，尤其在小电流的作用下，内阻对输出电压的影响是最大的。

参考文献

[1] Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. Freedom CAR ultracapacitor test manual [M]. USA： DOE/NE ID， 2004.

[2] SPYKER R L， NELMS R M. Classical equivalent circuit parameters for a double?layer capacitor [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2000， 36（2）： 829?836.

[3] CONWAY B E.电化学双电层电容器：科学原理及技术应用[M].陈艾，译.化学工业出版社，2005.

[4] 陈永真，李锦.电容器手册[M].北京：科学出版社，2008.

篇4

Maxwell公司总裁兼CEO Richard Balanson博士介绍说：“全球每年大约有超过6000万新汽车下线，随着电子和电力系统增多，以及对于安全性能要求更高，在一些高档车中用电消耗逐渐增大，汽车电力网络系统的稳定问题更加突出，给基于超级电容器的应用解决方案提供了商机。”

据称BCAP0310P250是该公司功率型版本超级电容器的最新产品，其主要特性包括用途广泛、性能更高，可以在混合驱动系统、怠速启动／停车系统、全电动制动和驾驶系统、以及其他需要稳定电源网络的系统中取代传统的基于电池的解决方案。目前汽车制造商正在一些应用中采用超级电容器解决方案，目的是保证系统具有较高的效能，确保可靠的发动机冷启动，更好地管理汽车车体内的电力分配，为关键应用分系统提供电力备份等等。

Maxwell公司新的BOOSTCAP功率产品还包括超级电容器单元系列，容量从650F到2600F，10个基于新超级电容器单元的模块产品，所有这些容量高于650F的超级电容器工作电压为2．7V，可以在单位体积内用来存储更多能量和释放更多电力，Maxwell公司还可以针对非关键应用工业领域(lighter duty industrial)、不间断电源、电信应用、以及消费类电子应用提供一系列低成本产品。Maxwell公司介绍说，所有新的产品都超出了要求最严格的运输和工业应用要求，无论是在能力存储、还是在功率的释放等方面都可给系统本身带来性能提升，不仅如此，这些产品可以充，放电一百万次以上，具有极高的可靠性和产品稳定性，Maxwell公司专有的产品设计架构和创新的材料使这些产品拥有更低的生产成本，在市场中居于更加有利的位置。上述面向汽车应用领域的多个单元组成的模块被组装在一个可靠、液体防溅(splash-proof)的铝合金底座上，各个单元之间可以做到平衡配置，可以帮助设计工程师实现“即插即用”解决方案。不仅如此，各个模块之间的平衡关系也可以满足对于高电压应用较高的场合。

篇5

一、气相色谱法的原理

色谱法又叫层析法，它是一种物理分离技术。它的分离原理是使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，叫做固定相，另一相则是推动混合物流过此固定相的流体，叫做流动相。当流动相中所含的混合物经过固定相时，就会与固定相发生相互作用。由于各组分在性质与结构上的不同，相互作用的大小强弱也有差异。因此在同一推动力作用下，不同组分在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后秩序从固定相中流出，这种借在两相分配原理而使混合物中各组分获得分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。

当载气携带着不同物质的混合样品通过色谱柱时，气相中的物质一部分就要溶解或吸附到固定相内，随着固定相中物质分子的增加，从固定相挥发到气相中的试样物质分子也逐渐增加，也就是说，试样中各物质分子在两相中进行分配，最后达到平衡。这种物质在两相之间发生的溶解和挥发的过程，称分配过程。分配达到平衡时，物质在两相中的浓度比称分配系数，也叫平衡常数，以K表示，K＝物质在固定相中的浓度／物质在流动相中的浓度，在恒定的温度下，分配系数K是个常数。

由此可见，气相色谱的分离原理是利用不同物质在两相间具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，试样的各组分就在两相中经反复多次地分配，使得原来分配系数只有微小差别的各组分产生很大的分离效果，从而将各组分分离开来。然后再进入检测器对各组分进行鉴定。

二、气体来源

绝缘油是由许多不同分子量的碳氢化合物分子组成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化学基团并由C-C键键合在一起。当变压器内部发生故障时，其初期会分解出各种气体，溶解于变压器油中，当故障严重时，也可能聚集成游离气体。各种气体产生的条件不同，如局部放电，通过离子反应、断裂主要生成H2，通过积累重新化合成甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等气体，重新化合时分别需要各自的温度和能量。一般说来，乙烯是在高于甲烷和乙烷的温度（大约500℃）下生成的，乙炔一般是在800℃～1200℃的温度下生成的，而且当温度降低时反应被迅速抑制，作为重新化合的产物而积累。因此，大量的乙炔是在电弧中产生的。在变压器油与空气起氧化反应时，伴随生成CO、CO2，并且CO和CO2能长期积累，成为数量显著的气体。这些分解出来的气体形成气泡在变压器油中经对流扩散，不断的溶解在油中。

不同的故障会产生不同的主要特征气体和次要特征气体，这些故障气体的组成和含量与故障类型及严重程度有密切关系。分析溶解于油中的气体，就能尽早发现设备内部存在的潜伏性故障，并可随时监视故障的发展状况。因此，国家规程对于变压器油中各种气体的含量有着明确而严格的要求。特别是对于乙炔，它是反映故障放电的主要指标，一旦出现，就可能是变压器内部严重故障的反应。因此对于变压器油中乙炔的含量应严格要求和追踪。对于出现含乙炔的变压器油的变压器，应严格按规定进行追踪分析判断，并结合电气试验，对变压器内部运行做出正确的分析判断。当变压器油中的油气组分超标时，我们可以认为其设备内部就可能存在故障。气相色谱技术的运用充分解决了这一难题。变压器油气的色谱分析及色谱追踪试验，能够真实有效的反映设备的运行情况，对于尽早发现设备内部过热或放电性故障，及早预防保证设备的正常运行，有着重要的作用。

三、气体分析

电力变压器主要采用充油式绝缘，判断变压器内部故障，通常采用绝缘特性试验，其缺点是不能在运行中连续检测，对设备内部的放电与热点等早期潜在故障很难发现。变压器出现故障时，绝缘油裂解产生气体，只有当油中气体饱和后，才能从瓦斯继电器反映出来，按过去沿用的气体点燃检查法，往往不能确定故障原因，造成误判断。用色谱分析法通过对特征气体的分析可确定变压器内部是否有故障。

1.变压器油征气体扩散分析。特征气体在液体中的扩散，是在整台变压器油中从密度大的区域向密度小的区域转移，其扩展速度越快，说明该组特征气体浓度越高。根据这一理论，故障点的特征气体含量越高，扩展的速度越快；距离故障点越远，特征气体含量越低，扩散速度也越慢。

篇6

关键词： 储能结构 超级电容器 多飞渡电容 均压PSIM

引言

在分析和对比大量储能数据之后，选择了具有独特优势的超级电容作为车载空气净化装置的储能结构。储能结构分为四部分，即检测模块、驱动模块、主电路和控制模块。储能结构的系统框图如图1所示。系统以PIC单片机为核心，通过协调各模块，可以实现超级电容组的电压均衡。

超级电容器具有超大容量，较高能量密度，较大的放电电流和长时间的循环使用寿命，因此具有很广泛的应用前景。由于超级电容器单体之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，当超级电容器串联的时候，超级电容单体之间会存在电压不均衡现象，超级电容组将处于不健康的状态。

超级电容的均压分为能量消耗型和非能量消耗型两种。能量消耗型均压通过电路中电阻等元器件消耗多余的能量来达到均压的效果。所以按其均压的性质可以分为：能量转移式和能量转换式。常见的几种消耗能量的均压电路有并联电阻法、稳压管法和开关电阻法。

由表1可知，在考虑到超级电容器数量，均压时转移电容的数量，电容的重量、电容的体积、均压控制系统的难易程度，以及均压的速度、均压的精度和均压的效率之后，决定采用改进的多飞渡电容法进行超级电容器储能均压电路设计与研究。

1.传统多飞渡电容法电压均衡原理

多飞渡电容均压的工作原理就是在n个超级电容之间放置n-1个飞渡电容，通过开关矩阵实现能量转移，达到均压的目的。多飞渡电容均压法的拓扑电路如图2所示。

飞渡电容均压法的等效电路图如图3所示，飞渡电容用等效模型电容C代替，假设C的初始电压比C的电压高，开关K闭合，C开始向C放电。

a.工作模式1（T≤t≤T；T为开关K闭合起始时刻，T为开关K断开且K闭合时刻）

设C的初始电压为U，工作t时间后C的电压为U（t），初始电压与t时刻的电压之间的关系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，时间很短的一段工作期间内，暂时将超级电容看成是一个电源，此时电路工作的等效电路图如图3所示。

i（t）=×e（1）

U（t）=U-（U-U）×e（2）

式（1）和式（2）为充电电流、电压与时间的关系式，其中τ=R×C，R是放电回路中等效串联电阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T时刻，开关K闭合，飞渡电容C向超级电容C放电，充电t时间后，C电压值用U表示。此时电路工作的等效电路图如图5所示。C放电时候的电流、电压与放电时间的关系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改进的多飞渡电容均压控制

为提高能量转移的效率，在原来的均压电路的基础上，对原有的多飞渡电容均压法进行了改进，改进后的拓扑结构图如图6所示。其工作原理与原先的多飞渡均压的工作原理类似。

3.飞渡电容仿真分析

利用PSIM软件对由3支超级电容器串联组成的储能模块进行充电过程的仿真分析。超级电容器以KAMCAP为研究对象，其容量为16F，额定电压为16V，最大充电电流11A，由于内阻与漏电流对电路的影响较小，此处可以忽略不计。

设定3支超级电容器C、C、C容量及初始电压分别为14.4F/0V，16F/0V，20.8F/0V。图7给出在恒定10A电流充电情况下，普通充电模式下，单体电压值、总电压值及充电电流与时间关系的曲线。从图7中可以明显看到分散性对3支超级电容器充电的影响，当C充满时，C、C并未达到额定值，若继续对电容充电，则C会过充，将严重影响其使用寿命，反之，则会影响整个系统能量的利用率。经过23.08s充电结束，各单体电压、总电压不再上升，恒流源停止充电，充电时长与理论计算值一致。

图8是均压充电模式下各单体电压值、总电压值、充电电流与时间的曲线。在充电33.35s之后，各个单体电压值达到一致，完成均压，过程并没过压。当C达到额定值，系统将其剔除停止充电，此时总电压下降，充电电流产生一定波动；当C达到额定值，系统也将其剔除，此时总电压继续下降，充电电流又产生一次波动；最终，C达到额定值，3支超级电容器都充满，系统停止工作，总电压将为0，实现均压。

图9是多飞渡电容电压均衡效果图。仿真参数设置如上，其超级电容器初始值同上。可见，改进后多飞度电容均压充电效率和利用率都得到提升。

将3支超级电容器，分别通过普通充电、改进前多飞渡电容法、改进后多飞渡电容法进行充电，对比仿真结果。普通充电所需时间最短，但其利用率较低。改进前多飞渡电容法，利用多个飞渡电容，通过控制开关管的反复通断，从而实现相邻单体间能量转移，以达到均压的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺点。通过图8和图9的对比，可以看出改进后的多飞度电容均压法更能有效地提高利用效率。

结语

由于单个的超级电容之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，在给电容器充电的过程中，电压不均衡将影响超级电容的使用寿命和储能效率。通过对比分析各种超级电容均压方法，确定了多飞渡电容均压方案，在分析其工作原理的基础上，提出了改进方案，有效提高了均压的效率和均压误差。最后通过PSIM仿真软件验证，仿真结果表明了所提方案的有效性。

参考文献：

[1]慧妍，齐智平.超级电容储能单元的设计分析[J].电源技术，2006，30（4）：322-325.

[2]马奎安，陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计[D].浙江：浙江大学，2010.

[3]张补涵，曾杰，毛承雄，等.串并联型超级电容器储能系统在风力发电中的应用[J].电力自动化设备，2008（4）：1-4.

[4]于鹏，杨仁刚.超级电容串联储能系统的并联电容均压方法[J].农业工程学报，2014-12-23.

篇7

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，是一种理想的谐波补偿装置[1]。但随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，各种电能质量问题如电压跌落、电压上升的电压偏移问题，瞬时断电、暂时断电的供电连续性问题以及谐波等问题在同一配电系统中同时出现的情况越来越多[2]。而传统的有源电力滤波器功能单一，为了实现有源电力滤波器多功能化的要求。本文提出了将超级电容器作为有源电力滤波器直流侧储能元件，满足了有源电力滤波器多功能化的要求。

1 有源电力滤波器的基本原理与存在问题

图1为并联型有源电力滤波器的原理图[3]。如图所示整个系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路组成。其中指令电流运算电路又称为谐波和无功电流检测电路。当指令电流运算电路检测出电网电流中含有谐波和无功等分量时，将产生与之相对应的指令电流，采用适当的控制方式如滞环控制作用于功率电路产生实际的补偿电流，此电流与检测出的谐波和无功电流大小相等而方向相反，将补偿电流注入到电网中，从而消除了电网电流中存在的谐波和无功分量[4]。

根据以上对有源电力滤波器的工作原理的分析可知，若有源电力滤波器仅用于补偿无功功率时，直流侧Udc不需要储能元件，当用于谐波补偿时储能元件的容量也不需要很大。由于其储能元件的容量很小从而有源电力滤波器不具备提供有功功率这一功能。选择合适的直流侧储能元件增加其存储能量，使有源电力滤波器可以运行于四个象限，即同时发出无功功率和吸收有功功率，发出无功功率和发出有功功率，吸收无功功率和吸收有功功率，吸收无功功率和发出有功功率。这样有源电力滤波器不仅可以补偿谐波、无功和负序电流，还可以抑制电压闪变、平衡三相电压，解决了电网中存在的若干电能质量问题。

2 超级电容器储能系统

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前单体超级电容器的最大电容量可达到10 000F。充电速度快在几十秒到数分钟内完成充电过程，适合大电流和短时间充放电的场合。此外还具有工作温度范围广，循环充放电次数多，排放零污染等特点[5]。

从表1可以看出超级电容器具有快速充放电和功率密度大的优点，可以用来解决电力系统中的一些暂态问题，例如电压暂降和短时电压中断等。

超级电容储能系统主要由超级电容器组、整流器、逆变器、双向变换器以及控制单元组成。将该储能系统连接于微电网和负荷之间。未出现故障时，整流器提供的直流电能储存在超级电容器中，若电网中出现电压暂降等故障时，超级电容器通过逆变器向负载输出能量，快速补偿了系统所需，维持了负荷侧的电压等级。考虑到能量的双向流动，超级电容通过双向DC/DC变换器与逆变器相连。

3 基于超级电容储能的有源电力滤波器的系统构成

从图3中可以看到，本文所设计的装置是在并联型有源电力滤波器的基础上增加了超级电容储能系统，由整流器、Buck-Boost双向DC/DC变换器，PWM逆变器和Γ型LC滤波器，串联变压器几部分组成。

系统工作原理为，闭合输入刀闸，由电网提供的电能一方面通过开关S2向负载供电，一方面通过开关S1向超级电容器充电，此时双向DC/DC变换器工作于Buck方式，充电电阻R1限制了电容器充电瞬间所产生的巨大充电电流。当平波电容器充电到80%的时候，将继电器J1、J2闭合，通过充电电阻R2给超级电容器供电。此时开关S3、S4断开，S5闭合。

当检测电路检测到补偿对象电流中存在谐波和无功分量后，将其反极性作为补偿电流的指令信号，采用三角波控制方式控制PWM逆变器产生实际的补偿电流，通过开关S5向电网注入与谐波和无功电流大小相等方向相反的电流，起到了消除谐波和无功电流的目的。

当检测电路检测到系统出现电压暂降时。开关S5、S2关断，开关S1、S3、S4导通。由电网和本装置共同对负载供电，此时双向DC/DC变换器工作于Boost方式，继电器J3导通，PWM变流器通过Boost电路汲取超级电容器中的能量，装置提供的补偿电压通过串接变压器叠加到供电回路中。这里串联变压器将逆变器与电网隔离，降低了直流母线的电压，便于功率器件的选取。

一旦电网停电，仅通过本装置不间断的对负载供电，为了防止电流反向流向电网开关S1、S2应处于关断状态。开关S3、S4关断S5导通。此时继电器J3导通，双向DC/DC变换器工作于Boost方式， PWM变流器通过Boost电路汲取超级电容器中的能量，由装置为重要负荷供电。待电网恢复正常后，开关S1导通，由电网供电。若超级电容器两端电压降低到其额定电压的50%，电网还未恢复正常供电，主控单元向逆变器发出闭锁脉冲，停止给负荷供电，负荷停止运行。

4 结论

为了实现有源电力滤波器多功能化，获得更高的性价比，其直流侧储能元件必须合理选择。将超级电容器作为有源电力滤波器直流侧储能元件，实现了多功能化的要求，通过仿真验证了该装置在有效地解决谐波补偿的同时，也改善了电网中出现的电压跌落等若干电能质量问题。

参考文献

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，2004.

[2]肖湘宁，徐永海，刘连光.供电系统电能质量[M].北京：华北电力大学出版社，2000.

[3]杨君.谐波和无功电流检测方法及并联型有源电力滤波器的研究[D].西安：西安交通大学，2006.

[4]宋琦.并联型有源滤波及无功补偿的研究 [D].武汉；华中科技大学，2005．

[5]张熙贵，王涛，夏保桂.一种优秀的储能元件――超级电容器[J]，2003(8)：40-42.

篇8

近期，市场调研公司IDTechEx提出了一个大胆论断――超级电容器将会摧毁锂离子电池市场。在题为《2014-2024年的超级电容市场》报告中，IDTechEx称，到2024年，全球超级电容器市场价值将达到65亿美元，市场份额增大的同时会吞噬电池市场。

所谓超级电容，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。

为什么有人认为它必将取代锂电池？主要还是从其性能考虑。相比于锂电池，超级电容充放电速度快、效率高、循环寿命长且安全性高。这些似乎都是如今电动车推广困局的解药。

南车株机今年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车，其采用7500F双电层超级电容，寿命长达10年，充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电，最大充电时间30秒，最快10秒便能完成充电。

超级电容高于锂电池的安全性能，也在近几年的各类事件中得以彰显。过去一年，波音、苹果、特斯拉等公司都受困于锂电池的安全性，频频引发事件。专家也指出锂电池“本性难移”，很难从技术上弥补其安全性短板。而利用静电电荷存储电能的超级电容本身就保证了其安全性能。

现今，超级电容由于其能量密度低的短板，主要还扮演着锂电池的配角角色。但由于“万能材料”石墨烯的应用，超级电容替代锂电池的脚步似乎越来越近。

虽然国内外对此的争论颇多，没有达成共识。但相比国内对于锂电池的高度热情，欧美多国的做法更加平衡。以德国为例，其于2008年颁布的《德国国家电动汽车发展计划》中就将超级电容与锂电池的研发放在同样相等的地位。

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。如美国的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。

其中，Maxwell率先尝到了来自中国市场的大蛋糕，据美国投行派杰（Piper Jaffray）分析师Alexander Potter称：宇通公司目前是Maxwell的最大客户，且订单还在加速增长。

篇9

关键词：地铁列车；供电系统；再生制动；电阻制动

地铁列车，对于地铁供电系统来说是一种移动变化的负载。这些移动变化的负载对地铁供电系统的电压调节性能有很高的要求。虽然设计的地铁列车能够在一定的电压范围内运行，然而由于电机的性能受供电电压范围及等级的影响，因此当电压等级低于或超过设计的供电电压范围时，将会影响列车的动力性能，进而影响列车的运行速度。不断增加的能源成本一直以业是地铁运营管理部门严重关切的话题。如何降低能耗成为铁路系统运营商须优先考虑的问题。

近年来，超级电容器技术及设备的发展，使应用超级电容器作为能量储存装置储存过度反馈的再生制动能量成为一项可行的技术。

1 地铁供电系统分析

地铁供电系统是个非常复杂的电气网络。就像普通的配电网络一样，地铁供电系统包括传输系统（架空线或导电轨）及负载（地铁列车）。所不同的是，地铁供电系统的这些负载是移动的，列车的速度和加速度随时都在改变、加之列车位置的变化都会带来地铁供电系统负载的变化。

图1所示为一段地铁供电系统简图。Rs1和Rs2代表架空线阻抗。Rr1和Rr2代表回路导线阻抗。随着地铁列车的移动，这些阻抗也发生着变化。列车牵引、惰行及制动都会引起电流的改变，因此架空线电压降会影响列车的运行性能。

2 再生制动的节能作用及原理

电阻制动通过连接在电机两端的电阻器来实现。电机生成制动电流通过电阻器耗散。这种制动所产生的能量在较冷的环境下可以转换为热能用于车辆的采暖系统，但是更多时候热量消散到周围环境中去了。对于地铁隧道系统，这些热量将会造成隧道过热[1]，因此，目前广泛采用的是再生制动系统。

再生制动生成的电能反馈到架空线路上可被其它列车使用。再生制动系统可以提高整个地铁供电系统的效率。然而再生制动所产生的电流也会造成电压的急剧上升并引起供电质量问题。再生制动的有效性取决于系统的接受能力。如果在此线路区段上没有其它车辆在运行，则再生的能量无法被使用，因此这些能量就必须通过制动电阻来耗散。

上述与再生制动相关的问题，可考虑通过使用能量储存装置来避免。能量储存装置可将再生的能量存储在列车上或者线路旁，因此也就降低了电压骤升的幅度。储存在车辆上的能量可用于补充列车加速所需能源，故能降低架空线路上产生的加速电流，从而降低了电压骤降的幅度。

3 能量储存装置

近期能量储存装置有了重大发展，特别是针对电动车辆、供电系统和航空航天领域的应用。超级电容器由在液体电解质内的两个固体电极组成。离子渗透分离器用于电极的电气绝缘，但允许电解质离子通过。超级电容器在固体电极和电解液界面处储存电荷，形成双电层，通过两个单层形成电容[2]。电荷层之间的距离只有几个原子直径，因此电容容量可以比常规的电容器容量要大得多。

未来还可以应用一种超导储能系统（SMES）装置储存磁场中的能量[3]。将直流电充到线圈上，创建磁场，储存磁场能量。当直流电势消失时，能量也随即释放。使用低耗超导线圈可存储更多的磁能量。超导储能系统（SMES）用来改进配电网的供电质量[4]。

在地铁供电系统中增设能量储存装置可以提高供电网的电压调节质量，同时也能改进对再生制动利用的效率。储能装置可以增设在线路旁或地铁车辆上。

图2为在变电站增设能量储存装置的示意图，即将超级电容器安置在配电站内。原则上能量储存装置也可安装在轨道的任一位置。

超级电容器可以看作是一个带有电压源的等效电路，一个等效串联电阻（ESR）和一个等效并联电阻（EPR），见图3。

能量储存装置也可以安置在轨道的侧面，采用这种安装方案，所储存的能量需要通过架空线向地铁列车传送，这种方案的缺点是存在电能传输过程损耗。为避免电能传输过程的损耗，可将储能装置安装在地铁车辆上[5]。

4 结论

本文介绍了使用再生制动并结合能量储存装置节约电能提高地铁供电系统供电品质的组合方案。这种能量储存装置可以安装在变电站内，线路侧，也可以安装在地铁列车上。随着超级电容器技术与设备的发展及应用，这种组合节能方案将有很大的应用可行性。

篇10

关键词：聚苯胺；聚吡咯；共聚物；化学氧化聚合；电容性能

中图分类号：TQ035 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2009）03-0300-02

1聚合物的化学氧化合成

聚吡咯的合成：根据文献所述的方法，0 ℃下将FeCl3•6H2O（2. 365g，8.75mmol）加入到50mL，1mol/L的盐酸溶液中，搅拌。30min之后，将蒸馏过的吡咯（1.22mL，17.56mmol）加入到上述的溶液中。混合液的颜色很快变绿，而后又变成黑色。30min之后，将反应所得的产物过滤，产物先用去离子水洗，再用乙醇洗，最后用丙酮洗，如此反复洗3次。洗涤后的产物在50℃干燥12h，得到黑色的聚吡咯粉末，记为1#样品。

2 聚合物的电容性能研究

2.1 聚苯胺电容性能研究

由图1可以看到合成的聚苯胺颗粒度较小，颗粒度达到微米数量级，颗粒表面呈凸起状且有大量微孔结构。这又利于电解液在电极表面的扩散，而且增大了电解液和活性物质的接触面积，使得活性物质有较高的利用率。用它来制作的电极不但会存在法拉第准电容而且还会存在可观的双电层电容：因而有利于减小电极的极化现象：从而提高超级电容器的比电容和比能量。

分别采用（7，10，13）×10-3A/cm2的恒定电流密度，考察了不同电流下电极的充放电性能，得到图2所示聚苯胺电极的充放电曲线。从图中可以看到，随着充放电电流密度增大，充放电时间相应减少。同时充放电曲线并非理想的线性三角波形，说明聚苯胺的法拉第准电容性质。且在不同的电流密度下的比电容分别为512，452，289 F/g。

在图3中-0.005附近有一个明显的还原峰，在0.447附近有一个明显的氧化峰，由于聚苯胺的电化学反应，会产生一个相反方向的电流，减缓工作电极电位下降的速度，从而使循环伏安呈现不对称性。

图4可以看出，聚苯胺电极的交流阻抗曲线上都出现了高频区的半圆和低频区的直线，从图中还可以看出，聚苯胺电极随着充放电循环次数的增加，代表电极电化学反应电阻的高频半圆直径也大幅度增加，原因可能是聚苯胺电极中的聚苯胺分子链发生坍塌，离子迁移通道受阻，电解液离子的插入与脱出难以进行，最终导致电极整体电阻增大。

从图5可以看出，随着循环次数增加，PANI 电极的比电容逐渐下降，但下降并不明显，显示了良好的电容性能。下降的原因可能是经过长时间的充放电循环，活性物质发生一定程度的膨胀和收缩，也可能导致材料活性降低，进而造成电极比电容降低。

2.2 聚吡咯电容性能研究

由图6可以看出，当以过硫酸铵FeCL3作氧化剂，盐酸为掺杂剂，吡咯：氧化剂为2：1时得到的聚吡咯材料。颗粒度达到了0.3微米数量级，颗粒表面呈凸起状且有大量微孔结构。这又利于电解液在电极表面的扩散，而且增大了电解液和活性物质的接触面积，使得活性物质有较高的利用率。

分别采用（7，10，13）×10-3A/cm2的恒定电流密度，考察了不同电流下电极的充放电性能，得到图7聚吡咯电极的充放电曲线。从图中可以看到，随着充放电电流密度增大，充放电时间相应减少。容量降低，比电容也明显下降，其原因可能是聚吡咯来不及掺杂与去掺杂引起的，也有可能是负极的炭电极来不及吸脱附电荷引起的，且在不同的电流密度下其比电容分别为216，163，108 F/g。

从图8在 0.3V～0.6V之间有一对明显的氧化还原峰，聚吡咯的储能机理则是靠电子的迁移来完成，从该循环伏安图上可以明显看出聚吡咯的掺杂与去掺杂。其充电过程是聚吡咯发生P-掺杂同时活性炭电极发生阴极极化的过程，而放电过程是聚吡咯发生去掺杂和炭电极发生阳极极化的过程。

从图9可以看出低频区的曲线都接近90°，这是离子向电极中快速扩散的特征，这有利于电容器工作时快速提供电流，具有良好的电电容器性能，表现出较好电容性质，但是随着循环次数的增加，从图中可以溶液的欧姆阻抗和接触阻抗明显增加，其主要原因可能是在充放电过程由于聚吡咯掉粉或者是由聚吡咯结构坍塌引起的。

从图10可以看出，随着循环次数增加，聚吡咯电极的比电容逐渐下降，但是其衰减并不严重，显示了聚吡咯在酸性溶液中良好的循环性能。

2.3 共聚物在中性溶液中的电容性能研究

当苯胺与吡咯的比为3：1时理论上计算的碳的含量为氮的含量为76%，氮的含量为16%，由能谱所测的炭和氮的含量分别为75%和11%，有稍微的差别，主要原因是所选的区域不同，含量也有差别，表1可见，该共聚物和理论上相符合。

经计算在不同电流密度下它们的比电容分别为：827，489，375 F/g。

由图12可以看出共聚物电极随着充放电循环次数的增加，代表电极电化学电阻的高频半圆直径也大明显增加，且随着循环次数的增加，斜率也明显减小，相对应电容性能变差，这与后面的循环寿命测试相照应，原因是共聚物电极中的共聚物分子链发生坍塌，离子迁移通道受阻，电解液离子的插入与脱出难以进行，最终导致电极整体电阻增大。

图13循环寿命测试图可以看出随着循环次数增加，共聚物电极的比电容严重下降，尤其在充放电循环初期下降较快，这与其交流阻抗的电容性能不断变差相照应，共聚物电极比电容的衰减主要因共聚物的降解损失。

从图形14中可以明显看在相同的电解液和扫描范围内，共聚物的循环伏安曲线更接近矩形，平台范围也更为显著和宽广，对应的电流要大，说明其具有更大的比电容从该循环伏安图上可以明显显示出共聚物的掺杂与去掺杂。

3 结语

本课题研究的是超级电容器的电容性能，聚合物作为电容器的活性物质，即超级电容器的核心部分，研究它的电容性能对于超级电容器来说是十分重要的。

本课题中的聚吡咯是在低温、一定的机械搅拌速度下化学氧化合成的，它的颗粒度达到了0.3微米，其在7×10-3A/cm2 恒定电流密度下其比电容可达216 F/g。

另外该实验提出自己的创新之处，即将吡咯，苯胺按一定比例化学氧化合成，得到共聚物，经研究在7×10-3A/cm2恒定电流密度下其比电容可达827 F/g，但是它的容量保持率低。还需进一步研究。

参考文献

［1］王玉芬，曹学伟，蓝国祥. 碳纳米管晶格振动模及拉曼光谱的研究进展［J］. 光谱学与光谱分析，2000 ，20 （2） ：180.