導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇超級(jí)電容器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

摘 要：本文主要對(duì)超級(jí)電容器領(lǐng)域的相關(guān)專利申請(qǐng)的分析進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行了舉例說(shuō)明。超級(jí)電容電極材料主要包括碳材料、金屬氧化物材料、導(dǎo)電聚合物材料以及復(fù)合材料，本文主要介紹了碳材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用，并具體從活性炭、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、石墨五個(gè)分支分別介紹了超級(jí)電容器。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器;碳材料;活性炭;碳纖維;碳?xì)饽z;碳納米管;石墨;專利申請(qǐng)

1 不同電極材料在超級(jí)電容器上的研究與應(yīng)用

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作電極材料的，碳材料電極先后出現(xiàn)了多孔碳材料、活性炭材料、納米碳纖維、碳納米管等多種材料。碳材料的特征主要表現(xiàn)為雙電層特性，雙電層電容器充電時(shí)在電極/溶液界面通過(guò)電子和離子或偶極子的定向排列產(chǎn)生雙電層電容儲(chǔ)能，其電荷及電位分布如圖1（a）所述。加上直流電壓后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在2個(gè)極化電極與電解液的界面上就會(huì)形成新的雙電層，其電荷與電位分布如圖1（b）所示。充電時(shí)通過(guò)外部電源，電子從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極，同時(shí)，溶液中的正負(fù)離子各自反向擴(kuò)散到電極表面，能量以電荷形式存儲(chǔ)在電極材料與界面之間。由于電極電荷和溶液中反電離子的相互作用，離子不會(huì)遷移到溶液中去，保證雙電層的穩(wěn)定。

目前已經(jīng)公開(kāi)的有關(guān)碳基材的超級(jí)電容的申請(qǐng)有2560篇，其中多孔碳因具有較高的比表面積和孔隙率，且相對(duì)于碳納米管、石墨烯等具有成本低廉、原料豐富、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)依然是超級(jí)電容器的熱門電極材料。何孝軍等人采用花生殼為原料、KOH為活化劑，所得多孔炭材料作為超級(jí)電容器電極材料表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性（CN102417178）。而且，作為多孔碳的一種，活性炭作為超級(jí)電容的電極材料有著更進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，將具有1600cm2/g特定表面的活性碳細(xì)微粒子放入模具，不使用任何粘結(jié)劑，施加300kg/cm2的壓強(qiáng)，分別供給一個(gè)90秒鐘的750A的離子脈沖電流和一個(gè)120秒鐘的1000A的熱電流，從而產(chǎn)生一個(gè)薄圓盤形的細(xì)微碳粒子的多孔燒結(jié)體，即得到活性炭電極（JPH0378221 A五十鈴汽車有限公司）。然而，活性碳系列的材料導(dǎo)電性較差，所得電容器等效串聯(lián)電阻大。而且該活 性碳系列的比表面積實(shí)際利用率不超過(guò)30%，電解質(zhì)離子難以進(jìn)入，因此不 適于用作超級(jí)電容器的電極材料。碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）的出現(xiàn)為超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)提供了新的機(jī)遇，它具有良好的導(dǎo)電性能且本身的比表面積大，制得的超級(jí)電容器 具有較高的比電容量和電導(dǎo)率。（CN101425380清華大學(xué)）

然而，無(wú)論怎樣，以碳材料作為電極材料雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其只利用雙電層儲(chǔ)存能量，在性能方面有所限制，因此出現(xiàn)了金屬氧化物材料的電極開(kāi)發(fā)與研究。

1.2 金屬氧化物材料

法拉第贗電容電極材料的研究主要集中在金屬氧化物上，比如氧化釕，氧化鎳，二氧化錳等。他們不同于雙電層電容器中碳材料電極那樣存儲(chǔ)能量，而是在電容器進(jìn)行充放電時(shí)，金屬氧化物與溶液的界面處發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)，從而獲得更大的比容量。目前世界范圍內(nèi)關(guān)于金屬氧化物材料的超級(jí)電容的專利申請(qǐng)量為413篇。剛開(kāi)始研究的電極材料是氧化釕材料，然而，由于釕金屬屬于貴金屬材料，雖然其擁有良好的效果，由于價(jià)格昂貴，很大的程度上制約了釕金屬電極材料的應(yīng)用。所以，后來(lái)人們開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向其他的廉價(jià)金屬以替代氧化釕，或者利用碳材料或其他金屬化合物與其進(jìn)行復(fù)合，在提高電極材料的同時(shí)，減少氧化釕的用量從而降低超級(jí)電容器的制造成本。比如，以二氧化錳作為電極材料，形成超級(jí)電容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放電過(guò)程中發(fā)生了可逆的氧化還原反應(yīng)，其比電容遠(yuǎn)高于活性炭電極的比電容。

1.3 導(dǎo)電聚合物材料

導(dǎo)電聚合物超級(jí)電容器與金屬氧化物電容器同屬于贗電容型超級(jí)電容器，因其良好的固有導(dǎo)電率和高能量密度，同時(shí)又有相較于金屬氧化物更低成本的特征，成為了一種常用的電極材料。距今為止，有關(guān)導(dǎo)電聚合物電極材料的專利有250篇。導(dǎo)電聚合物超級(jí)電容器的最大優(yōu)點(diǎn)就是能夠在較高的電壓下進(jìn)行工作，克服金屬氧化物超級(jí)電容器工作電壓不高的問(wèn)題。對(duì)陰極基材表面進(jìn)行化學(xué)蝕刻，如涂覆腐蝕性物質(zhì)或?qū)嵤╇娀瘜W(xué)蝕刻等，然后涂覆導(dǎo)電聚合物涂層，所述導(dǎo)電涂層包含烷基取代聚（3，4-乙烯二氧噻吩），采用這種聚合物，得到比許多傳統(tǒng)涂層材料更高的電容（CN103310985 AVX公司）。通過(guò)使用規(guī)定的導(dǎo)電性高分子結(jié)合于表面，并且具有規(guī)定的直徑的細(xì)孔容積為特定的比率的多孔質(zhì)碳材料作為電極材料，可獲得具有高靜電容量，循環(huán)特性優(yōu)異的雙電層電容器。所述電性高分子為選自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它們的衍生物中的至少1種（WO2012050104 橫濱橡膠株式會(huì)社）。

1.4 復(fù)合材料

為了進(jìn)一步增大超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)，使其具有贗電容性能以及雙電層特性，單一材料作為電極材料不再滿足人們的需求。制備利用碳材料作為基體的復(fù)合材料不僅增加了活性材料的有效利用，也增加了復(fù)合材料的導(dǎo)電率以及機(jī)械強(qiáng)度，現(xiàn)今，已有大量的文獻(xiàn)和專利對(duì)碳材料作為基體來(lái)改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究，僅涉及復(fù)合材料的專利申請(qǐng)量就達(dá)到了355篇。例如，通過(guò)使氧化釕和特定的碳材料復(fù)合化，可以使氧化釕的比表面積和電極物質(zhì)的空間這兩者擴(kuò)大，從而通過(guò)納米復(fù)合化來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷利用率的提高（CN1964917B 國(guó)立大學(xué)法人東京農(nóng)工大學(xué)）。因此，未來(lái)對(duì)于超極電容器復(fù)合電極材料的研究可能會(huì)吸引越來(lái)越多的目光。

2 碳電極材料在超級(jí)電容器上的研究與應(yīng)用

理論上，電極材料的比表面積越大，容量越大，越適合作為電容器電極材料。實(shí)際上，研究發(fā)現(xiàn)，高比表面積的碳材料的實(shí)際利用率并不高，因?yàn)樘疾牧系目讖椒譃槲⒖祝?lt;20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中對(duì)于形成雙電層有利可以作為超級(jí)電容器電極的只有大于20nm孔徑的材料，因此在提高比表面積的同時(shí)還要同時(shí)調(diào)控孔徑的分布。目前，已有多種不同類型的碳材料應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料上，關(guān)于碳電極材料的相關(guān)專利申請(qǐng)主要集中在活性炭、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米管、石墨五個(gè)方面。如圖2所示，不同的碳電極材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一種由無(wú)定形碳和石墨微晶組成的多孔材料，一般在多孔碳的比表面積大于500m2/g時(shí)被稱為活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面積，因此，通常使用包含活性炭的電極材料用作超級(jí)電容器的電極，使其表面與電解質(zhì)接觸（KR20100011228 LS美創(chuàng)有限公司）。然而活性炭的導(dǎo)電性不強(qiáng)，因此在利用活性炭制得電極時(shí)，可以對(duì)普通活性炭進(jìn)行化學(xué)改性，使之具有良好的導(dǎo)電性、較高的表觀密度和高比容量，并加入乙炔黑等導(dǎo)電劑以增強(qiáng)活性炭電極的導(dǎo)電性（CN1419256 A成都茵地樂(lè)電源科技有限公司）。

而且，活性炭的來(lái)源十分廣泛，作為超級(jí)電容器的關(guān)鍵材料直接影響到超級(jí)電容器的性能。目前，常用的活性炭的制備原材料主要來(lái)自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如沖繩產(chǎn)或其它的來(lái)源）獲得的原料經(jīng)碳化獲得碳化物，將碳化物進(jìn)行堿活性化得到活性炭（CN101503189 產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所股份有限公司）;以小麥面粉、玉米面等為原料制備超級(jí)電容器用活性炭（US8318356B2 康寧股份有限公司）;利用低密度農(nóng)業(yè)廢棄物，通過(guò)二氧化碳或者水蒸氣活化從而制備活性炭（US6537947B1 迪爾公司）。因此，活性炭的來(lái)源廣，成本低，也是其一直備受青睞的重要原因。

2.2 碳纖維

碳纖維屬于高效吸附性材料，由于其表面碳原子的不飽和性，它可以以化學(xué)形式結(jié)合其他原子和原子團(tuán)，因此碳纖維具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高導(dǎo)電性碳纖維作為負(fù)極活性物質(zhì)，所制得的超級(jí)電容器的庫(kù)侖效率將提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本電池株式會(huì)社）。通過(guò)添加細(xì)微碳纖維來(lái)改善充放電容量、改善電極極板強(qiáng)度，這里提到的細(xì)微碳纖維，一般是利用烴的熱分解氣相法制造的（JPH5-321039 昭和電工株式會(huì)社），這種碳纖維的直徑通常為0.01-5um。然而，為了提高電池或電容的充放電容量，以提高負(fù)極材料的結(jié)晶性來(lái)提高容量時(shí)，不僅僅是負(fù)極材料，進(jìn)而對(duì)添加材料也要求具有放電容量高的材料。因此，對(duì)于其添加材料的碳材料，提高其結(jié)晶性并獲得導(dǎo)電性好的細(xì)微碳纖維是十分有必要的（CN1343269 A昭和電工株式會(huì)社）。現(xiàn)在，關(guān)于碳纖維作為超級(jí)電容器電極領(lǐng)域的研究仍然吸引著眾多學(xué)者的關(guān)注，有關(guān)的專利申請(qǐng)量為157篇。

2.3 碳?xì)饽z

碳?xì)饽z是由美國(guó)人Pekala首先發(fā)現(xiàn)的一種新型納米多孔材料，一經(jīng)出現(xiàn)立刻引起各國(guó)研究工作者的濃厚興趣。通過(guò)調(diào)整碳?xì)饽z的孔隙大小，其具有更優(yōu)良的導(dǎo)電性（JP2011159960 三星電機(jī)株式會(huì)社）。另外，由于經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠化反應(yīng)得到的碳?xì)饽z材料一般呈塊狀，這時(shí)需要把塊狀氣凝膠球磨成微米級(jí)粉末（～10μm），不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還費(fèi)錢。因此出現(xiàn)了一種直接制得粉末狀碳?xì)饽z的制備方法，可以滿足應(yīng)用多樣化的需求（CN103449406 A 中山大學(xué)）。但是，現(xiàn)階段制備碳?xì)饽z的工藝較為復(fù)雜，在制備碳?xì)饽z的前驅(qū)體時(shí)通常采用超臨界干燥技術(shù)，該方法成本高，過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，規(guī)?；a(chǎn)難度大，并且具有一定的危險(xiǎn)性，因此各國(guó)的研究者都在探索常壓干燥代替超臨界干燥的制備工藝。

2.4 碳納米管

自1991年日本NEC公司的Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）以來(lái)，其具有的優(yōu)良的機(jī)械和光電性能，被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想添加物。納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此，按照石墨烯片的層數(shù)，碳納米管材料可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。為了獲得更高的電容量，將碳納米管與一結(jié)合劑混合，模制成一平板價(jià)型，制得電極，其中碳納米管可以是單壁或者多壁碳納米管（CN1317809株式會(huì)社日進(jìn)納米技術(shù)）。將碳納米管將單壁碳納米管與甲醇溶液混合攪拌制得單壁碳納米管的分散液，將此分散液在減壓氣氛中通過(guò)PTFE濾紙得到一紙膜壓?jiǎn)伪谔技{米管片材，將該片材放置于刻蝕鋁箔的表面，然后設(shè)置隔膜等，制得超級(jí)電容器（US2010259867 A1 日本化工株式會(huì)社）。以多壁碳納米管為原料，與濃硫酸和濃硝酸混合加熱，獲得預(yù)氧化的碳納米管，清洗后與插層劑混合烘干后二次加熱，膨脹后得到石墨烯納米帶，活化處理后得到多孔石墨烯納米帶制備超級(jí)電容器（CN103332689中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）?；蛘邔螌犹技{米管與多層碳納米管混合，與粘結(jié)劑作用制得電極材料（JP2008010681 A愛(ài)考斯研究株式會(huì)社）。

2.5 石墨

單層石墨材料作為新型的超級(jí)電容器的電極材料，是利用其二維結(jié)構(gòu)，具有極大的比表面積，低比重，單片片層厚度在0.34nm～2nm之間分布，表面的官能團(tuán)存在使單層石墨材料與電解液充分潤(rùn)濕。與傳統(tǒng)的活性炭作為電極材料的超級(jí)電容器相比節(jié)省能源;與碳納米管

作為電極材料的超級(jí)電容器相比，成本低廉。新型的超級(jí)電容器性能

良好，具有很高的比電容及高的能量密度（可達(dá)50Whkg-1），其比功率更可高達(dá)40kWkg-1（CN101383231 南開(kāi)大學(xué)）。

3 總結(jié)

篇2

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器 贗電容器 原理 特點(diǎn) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）008-029-02

超級(jí)電容器的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，作為一種新型儲(chǔ)能器件，其主要介于傳統(tǒng)電容器與電池間。與傳統(tǒng)電容器比較可得，超級(jí)電容器具備電容量大（為2000-6000倍同體積電解電容器）、功率密度高（為10-100倍電池）、充放電電流量大、充放電循環(huán)次數(shù)高（大于105次）、充放電效率高、免維修等優(yōu)點(diǎn)。在本案，筆者以超級(jí)電容器為研究對(duì)象，探析其原理、應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用效果。

1 超級(jí)電容器分類

就電極而言，超級(jí)電容器可劃分為貴金屬氧化物電極電容器、碳電極電容器及導(dǎo)電聚合物電容器。

就電能機(jī)理而言，超級(jí)電容器分為雙電層電容器、法拉第準(zhǔn)電容（貴金屬氧化物及貴金屬電極）；電容產(chǎn)生機(jī)理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現(xiàn)象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應(yīng)為依據(jù)的吸附電容。與雙電層電容相比較，吸附電容完全不相同，此外，吸附電容的比電容將隨著電荷傳遞的向前推進(jìn)而不斷增大。

就超級(jí)電容器電極上的反應(yīng)情況及結(jié)構(gòu)而言，超級(jí)電容器可劃分為非對(duì)稱型及對(duì)稱型。對(duì)稱型超級(jí)電容器即為兩個(gè)電極反應(yīng)相同、組成相同、反應(yīng)方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對(duì)稱型超級(jí)電容器即為兩個(gè)電極反應(yīng)不同、電極組成不同。

超級(jí)電容器可用電壓的最大值取決于電解質(zhì)分解電壓。電解質(zhì)可為強(qiáng)堿、強(qiáng)酸等水溶液，亦或鹽的質(zhì)子惰性溶劑等。通過(guò)水溶液體系，超級(jí)電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過(guò)有機(jī)溶液體系，超級(jí)電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。

2 超級(jí)電容器的原理

就存儲(chǔ)電能的機(jī)理而言，超級(jí)電容器分為贗電容器及雙電層電容器。在本案，筆者就贗電容器及雙電層電容器為研究對(duì)象，探析其原理。

2.1 雙電層電容器原理

雙電層電容器屬于一種新型元器件，其能量?jī)?chǔ)存主要是通過(guò)電解質(zhì)與電極間界面雙層得以實(shí)現(xiàn)。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫(kù)倫力及原子間力作用力的存在，其勢(shì)必會(huì)引起固液界面產(chǎn)生一個(gè)雙層電荷，該電荷具備符號(hào)相反及穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料（碳?xì)饽z、活性炭纖維及炭粉末等活性炭、碳納米管）。通常情況下，就雙電層電容器的電極材料而言，其孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，孔隙率的增高與電容器的變大間無(wú)規(guī)律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內(nèi)，其對(duì)孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電層電容的提高意義至關(guān)重要。

2.2 贗電容器原理

贗電容（法拉第準(zhǔn)電容），主要是指在電極材料體相、表面準(zhǔn)二維或二維空間內(nèi)，以欠電位沉積電活性物質(zhì)為依托，發(fā)生高度可逆的氧化脫附、化學(xué)吸附或還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生一個(gè)與電極充電電位間存在一定關(guān)系的電容。因一切反應(yīng)均發(fā)生于整個(gè)體相內(nèi)，則其最大電容值相對(duì)更大，如：吸附型準(zhǔn)電容為2000*10-6F/cm2。就氧化還原型電容器而言，其最大電容量更大。已經(jīng)被公認(rèn)了的碳材料比容值為20*10-6F/cm2，則在重量級(jí)體積相同條件下，贗電容器容量等同于10-100倍雙電層電容器容量?，F(xiàn)階段，贗電容器的電極材料主要是導(dǎo)電聚合物及金屬氧化物。

近年來(lái)，超級(jí)電容器電極材料新增了導(dǎo)電聚合物。聚合物產(chǎn)品電子電導(dǎo)率極好其電子電導(dǎo)率不典型數(shù)值高度1-100S/cm。以還原反應(yīng)及電化學(xué)氧化反應(yīng)為依托，在電子軛聚合物鏈上，導(dǎo)電聚合物引入負(fù)電荷及正電荷中心，此時(shí)，電極的電勢(shì)決定了負(fù)電荷及正電荷中心的充電程度。導(dǎo)電聚合物能量存儲(chǔ)的途徑為法拉第過(guò)程?，F(xiàn)階段，能夠于較高還原電位條件下高穩(wěn)定低發(fā)生電化學(xué)n型摻雜的導(dǎo)電聚合物數(shù)量相當(dāng)少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3 超級(jí)電容器的特點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）容量超高：超級(jí)電容器容量范圍處于0.1-6000F，其等同于同體積電解電容器的2000-6000倍。

（2）高功率密度：超級(jí)電容器主要提供瞬時(shí)大電流，其短時(shí)斷流高達(dá)幾百至幾千安培，且其功率密度等同于電池的10-100倍，即10*103W/kg。

（3）高充放電效率，長(zhǎng)使用壽命：超級(jí)電容器充放電過(guò)程對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)無(wú)任何負(fù)面影響，且電極材料使用次數(shù)對(duì)使用壽命無(wú)任何負(fù)面影響。

（4）溫度范圍寬，即-40-70℃：溫度對(duì)超級(jí)電容器電極材料反應(yīng)速率的負(fù)面影響程度較輕。

（5）環(huán)保、免維護(hù)：超級(jí)電容器材料無(wú)毒、安全、環(huán)保。

（6）可長(zhǎng)時(shí)間放置：超級(jí)電容器因長(zhǎng)時(shí)間放置而導(dǎo)致起電壓下降，但只需對(duì)其充電便可使其電壓復(fù)原，且超級(jí)電容器容量性能不會(huì)因此受到任何影響。

3.2 缺點(diǎn)

超級(jí)電容器的缺點(diǎn)主要是漏電流量大、能量密度低級(jí)單體工作電壓低等。

4 超級(jí)電容器的應(yīng)用

超級(jí)電容器憑借自身眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，例如：充當(dāng)記憶器、計(jì)時(shí)器、內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)電力；電腦等電子產(chǎn)品；航空；太陽(yáng)能電池輔助電源；電動(dòng)玩具車主電源等領(lǐng)域。在本案，筆者就超級(jí)電容器于消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)汽車、電力系統(tǒng)級(jí)內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)等四大領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)探討。

4.1 消費(fèi)電子

超級(jí)電容器憑借著自身循環(huán)壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、鐘表及系統(tǒng)主板等備用電源領(lǐng)域。超級(jí)電容器的充電時(shí)間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，則超級(jí)電容器將起后備補(bǔ)充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。圖1為電路中超級(jí)電容器應(yīng)用原理圖。

超級(jí)電容器完全可以代替電池而成為新型環(huán)保型小型用電器電源，且數(shù)字鐘、錄音機(jī)、電動(dòng)玩具、照相機(jī)及便攜式攝影機(jī)等電源都可選取超級(jí)電容器，理由是超級(jí)電容器具備經(jīng)濟(jì)性高及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。若將超級(jí)電容器與電池聯(lián)用，其使用效果極佳，即允許長(zhǎng)期供電、蓄電池容量大、克服超大電流放電相關(guān)局限等。若將超級(jí)電容器應(yīng)用于大功率大脈沖電源，尤其是某些無(wú)線技術(shù)便攜裝置，其應(yīng)用效果不言而喻。

4.2 電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)汽車

超級(jí)電容器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)大大滿足了電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)電源的需求。相對(duì)于超級(jí)電容器，傳統(tǒng)動(dòng)力電池因在快速充電、使用壽命、高功率輸出及寬溫度范圍等方面均存在局限而不能最大程度滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的需要。就電動(dòng)車加速、啟動(dòng)或爬坡等高功率需求環(huán)節(jié)，超級(jí)電容器為其提供了極大的方便。如果將超級(jí)電容器配合動(dòng)力電池使用，則電池受到大電流充放電的負(fù)面影響將大幅度降低。此外，在再生自動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)助下，可將瞬間能量回收，以提高超級(jí)電容器能量利用率。

4.3 電力系統(tǒng)

隨著超級(jí)電容器的問(wèn)世，電解電容器已逐漸被超級(jí)電容器所取代。若將超級(jí)電容器應(yīng)用到高壓開(kāi)關(guān)站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發(fā)揮儲(chǔ)能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲(chǔ)能低等缺點(diǎn)而引發(fā)的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規(guī)避相關(guān)安全事故的發(fā)生。與此同時(shí)，若以超級(jí)電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，且能有效地減少電力系統(tǒng)的維護(hù)量，并能大幅度降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本。

超級(jí)電容器在分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能中的應(yīng)用很廣，且其應(yīng)用效果極佳。分布式電網(wǎng)系統(tǒng)以多組超級(jí)電容器為依托，以電場(chǎng)能形式為主要手段，將能量一一儲(chǔ)存起來(lái)，并在能量緊缺的情況下，通過(guò)控制單元，將能量釋放出來(lái)，以此為系統(tǒng)提供足夠的能量，從而確保了系統(tǒng)內(nèi)電能平衡機(jī)控制的穩(wěn)定性。

4.4 內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)

通常情況下，內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是冬天，其時(shí)間要求更是嚴(yán)格，則其使用效果不理想，且其經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性不高。針對(duì)這一點(diǎn)，德國(guó)研究人員首先做出了將超級(jí)電容器應(yīng)用于汽車啟動(dòng)上的嘗試，他們?cè)噲D通過(guò)超級(jí)電容器解決怠速汽車因停車導(dǎo)致的能源浪費(fèi)等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超級(jí)電容器蓄電池組質(zhì)量?jī)H為1/3傳統(tǒng)車用蓄電池組，但其實(shí)現(xiàn)了將啟動(dòng)機(jī)啟動(dòng)扭矩提高1/2，從而有效地增加了內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。

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關(guān)鍵詞： 超級(jí)電容器； 充放電電路； PWM控制； DSP

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

當(dāng)今社會(huì)，能源問(wèn)題越來(lái)越受人類的關(guān)注。超級(jí)電容器作為一種新型的綠色儲(chǔ)能元件，由于其不可替代的優(yōu)良特性，針對(duì)其的研究和認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻。LI，NIMH諸如此類的新型電池已經(jīng)在大家的生活中廣泛應(yīng)用。但由于其原理為電化學(xué)反應(yīng)，在使用壽命及環(huán)境友好方面是存在缺陷的。而超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境良好、功率密度高、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且在短時(shí)間內(nèi)可以瞬時(shí)釋放能量、高低溫性能好，所以在能量供應(yīng)方面的優(yōu)越性得到越來(lái)越多國(guó)家、軍事部門及工業(yè)界的重視。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在在混合電動(dòng)車、武器及不間斷電源等領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。

1 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)構(gòu)造的不同，超級(jí)電容分為兩類：雙電層電容與法拉第準(zhǔn)電容[1]。前者在外加電壓作用下，一層電荷在電極上，另一層電荷在溶液里，所以稱之為雙電層[2]，整個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的物理儲(chǔ)能。后者被稱為電化學(xué)電容。在相同電極面積下，法拉第準(zhǔn)電容可達(dá)到雙電層電容量[3]的上百倍?，F(xiàn)在廣泛認(rèn)可的超級(jí)電容器模型如圖1所示，在大部分測(cè)試中，可以忽略EPR的影響。

圖1 超級(jí)電容器典型模型

圖中ESR表示等效串聯(lián)電阻，它會(huì)降低超級(jí)電容器實(shí)際可用的有效儲(chǔ)能率，值較?。籈PR[3]表示等效并聯(lián)電阻，它會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)漏電流，在超級(jí)電容器處于靜止儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)會(huì)造成電能的損失，其值較大；C表示超級(jí)電容的電容量。

2 恒流充放電性能測(cè)試

恒流源作為一種穩(wěn)定的電源，他的輸出與外接負(fù)載無(wú)關(guān)。由于市場(chǎng)需求，恒流源在近幾年發(fā)展比較迅速，由原先的鎮(zhèn)流管發(fā)展到半導(dǎo)體集成電路。恒流充放電測(cè)試法是一種比較直觀準(zhǔn)確的超級(jí)電容器的測(cè)試方法，它測(cè)量的指標(biāo)主要有在充放電過(guò)程中，電容量與內(nèi)阻的變換規(guī)律。

2.1 充電電路

如圖2所示，恒流充電電路采用Buck電路的拓?fù)鋄4]，開(kāi)關(guān)K采用功率開(kāi)關(guān)管Mosfet，二極管采用快恢復(fù)型，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣由電感輸出的電流值，與PWM波產(chǎn)生芯片SG3525的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出PWM波，再經(jīng)過(guò)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)并控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。通過(guò)仿真可得以下超級(jí)電容器恒流充電的圖形如圖3和圖4所示。

圖2 超級(jí)電容器傳統(tǒng)恒流充電電路原理圖

圖3 超級(jí)電容器恒流充電電流波形

圖4 超級(jí)電容器恒流充電電壓波形

2.2 放電電路

對(duì)于超級(jí)電容器恒流放電電路，其工作原理圖如圖5所示。

圖5 超級(jí)電容器恒流放電原理圖

超級(jí)電容器恒流放電電路，電流響應(yīng)波形與超級(jí)電容器端電壓波形如圖6和圖7所示。本文主要討論電容量與內(nèi)阻是不是會(huì)隨著充放電電流的變化而有所變化。

一般情況下，選定的測(cè)試電流值為0.1Imax，0.25Imax，0.5Imax，0.75Imax。

圖6 超級(jí)電容器恒流放電電流波形

圖7 超級(jí)電容器恒流放電電壓波形

3 電容量性能測(cè)試

超級(jí)電容器在不同放電電流作用下的電容量曲線如圖8所示。由圖可知，當(dāng)測(cè)試電流小于峰值電流時(shí)，超級(jí)電容器的電容量[5]基本保持不變，當(dāng)測(cè)試電流超過(guò)峰值電流的情況下，超級(jí)電容器的電容量迅速下降，這是因?yàn)楫?dāng)測(cè)試電流大于或者等于峰值電流的情況下，放電時(shí)間過(guò)短，放電電路電流還未達(dá)到穩(wěn)定。通過(guò)圖8看出，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，可以認(rèn)為超級(jí)電容器的電容量是保持恒定的。

圖8 超級(jí)電容器在不同放電電流下電容值

4 超級(jí)電容器內(nèi)阻

本文采用階躍信號(hào)激勵(lì)測(cè)試超級(jí)電容器內(nèi)阻，如圖9，圖10所示。

圖9 超級(jí)電容內(nèi)阻測(cè)試階躍信號(hào)

圖10 超級(jí)電容階躍響應(yīng)

仿真超級(jí)電容器在上述不同測(cè)試電流階躍信號(hào)下[6]，計(jì)算內(nèi)阻的值，經(jīng)過(guò)擬合得到的結(jié)果如圖11所示。

圖11 超級(jí)電容器放電電流

從圖中可以看出，當(dāng)有小電流作用時(shí)，超級(jí)電容器內(nèi)阻較將有較大變動(dòng)幅度，在中等電流作用時(shí)，超級(jí)電容器內(nèi)阻變動(dòng)幅度不大。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，超級(jí)電容器的電容量特性、內(nèi)阻特性有如結(jié)論：超級(jí)電容器的電容量在不同的充放電電流作用下，變幅很小，所以在實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，可看作定值。超級(jí)電容器在不同的充放電電流作用下，由于內(nèi)阻的存在，會(huì)使電壓產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的突變，尤其在小電流的作用下，內(nèi)阻對(duì)輸出電壓的影響是最大的。

參考文獻(xiàn)

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[4] 陳永真，李錦.電容器手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

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Maxwell公司總裁兼CEO Richard Balanson博士介紹說(shuō)：“全球每年大約有超過(guò)6000萬(wàn)新汽車下線，隨著電子和電力系統(tǒng)增多，以及對(duì)于安全性能要求更高，在一些高檔車中用電消耗逐漸增大，汽車電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題更加突出，給基于超級(jí)電容器的應(yīng)用解決方案提供了商機(jī)?！?/p>

據(jù)稱BCAP0310P250是該公司功率型版本超級(jí)電容器的最新產(chǎn)品，其主要特性包括用途廣泛、性能更高，可以在混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、怠速啟動(dòng)／停車系統(tǒng)、全電動(dòng)制動(dòng)和駕駛系統(tǒng)、以及其他需要穩(wěn)定電源網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的基于電池的解決方案。目前汽車制造商正在一些應(yīng)用中采用超級(jí)電容器解決方案，目的是保證系統(tǒng)具有較高的效能，確保可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)，更好地管理汽車車體內(nèi)的電力分配，為關(guān)鍵應(yīng)用分系統(tǒng)提供電力備份等等。

Maxwell公司新的BOOSTCAP功率產(chǎn)品還包括超級(jí)電容器單元系列，容量從650F到2600F，10個(gè)基于新超級(jí)電容器單元的模塊產(chǎn)品，所有這些容量高于650F的超級(jí)電容器工作電壓為2．7V，可以在單位體積內(nèi)用來(lái)存儲(chǔ)更多能量和釋放更多電力，Maxwell公司還可以針對(duì)非關(guān)鍵應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域(lighter duty industrial)、不間斷電源、電信應(yīng)用、以及消費(fèi)類電子應(yīng)用提供一系列低成本產(chǎn)品。Maxwell公司介紹說(shuō)，所有新的產(chǎn)品都超出了要求最嚴(yán)格的運(yùn)輸和工業(yè)應(yīng)用要求，無(wú)論是在能力存儲(chǔ)、還是在功率的釋放等方面都可給系統(tǒng)本身帶來(lái)性能提升，不僅如此，這些產(chǎn)品可以充，放電一百萬(wàn)次以上，具有極高的可靠性和產(chǎn)品穩(wěn)定性，Maxwell公司專有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)架構(gòu)和創(chuàng)新的材料使這些產(chǎn)品擁有更低的生產(chǎn)成本，在市場(chǎng)中居于更加有利的位置。上述面向汽車應(yīng)用領(lǐng)域的多個(gè)單元組成的模塊被組裝在一個(gè)可靠、液體防濺(splash-proof)的鋁合金底座上，各個(gè)單元之間可以做到平衡配置，可以幫助設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)“即插即用”解決方案。不僅如此，各個(gè)模塊之間的平衡關(guān)系也可以滿足對(duì)于高電壓應(yīng)用較高的場(chǎng)合。

篇5

一、氣相色譜法的原理

色譜法又叫層析法，它是一種物理分離技術(shù)。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，叫做固定相，另一相則是推動(dòng)混合物流過(guò)此固定相的流體，叫做流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含的混合物經(jīng)過(guò)固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生相互作用。由于各組分在性質(zhì)與結(jié)構(gòu)上的不同，相互作用的大小強(qiáng)弱也有差異。因此在同一推動(dòng)力作用下，不同組分在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng)有短，從而按先后秩序從固定相中流出，這種借在兩相分配原理而使混合物中各組分獲得分離的技術(shù)，稱為色譜分離技術(shù)或色譜法。

當(dāng)載氣攜帶著不同物質(zhì)的混合樣品通過(guò)色譜柱時(shí)，氣相中的物質(zhì)一部分就要溶解或吸附到固定相內(nèi)，隨著固定相中物質(zhì)分子的增加，從固定相揮發(fā)到氣相中的試樣物質(zhì)分子也逐漸增加，也就是說(shuō)，試樣中各物質(zhì)分子在兩相中進(jìn)行分配，最后達(dá)到平衡。這種物質(zhì)在兩相之間發(fā)生的溶解和揮發(fā)的過(guò)程，稱分配過(guò)程。分配達(dá)到平衡時(shí)，物質(zhì)在兩相中的濃度比稱分配系數(shù)，也叫平衡常數(shù)，以K表示，K＝物質(zhì)在固定相中的濃度／物質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數(shù)K是個(gè)常數(shù)。

由此可見(jiàn)，氣相色譜的分離原理是利用不同物質(zhì)在兩相間具有不同的分配系數(shù)，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，試樣的各組分就在兩相中經(jīng)反復(fù)多次地分配，使得原來(lái)分配系數(shù)只有微小差別的各組分產(chǎn)生很大的分離效果，從而將各組分分離開(kāi)來(lái)。然后再進(jìn)入檢測(cè)器對(duì)各組分進(jìn)行鑒定。

二、氣體來(lái)源

絕緣油是由許多不同分子量的碳?xì)浠衔锓肿咏M成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學(xué)基團(tuán)并由C-C鍵鍵合在一起。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，其初期會(huì)分解出各種氣體，溶解于變壓器油中，當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)，也可能聚集成游離氣體。各種氣體產(chǎn)生的條件不同，如局部放電，通過(guò)離子反應(yīng)、斷裂主要生成H2，通過(guò)積累重新化合成甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等氣體，重新化合時(shí)分別需要各自的溫度和能量。一般說(shuō)來(lái)，乙烯是在高于甲烷和乙烷的溫度（大約500℃）下生成的，乙炔一般是在800℃～1200℃的溫度下生成的，而且當(dāng)溫度降低時(shí)反應(yīng)被迅速抑制，作為重新化合的產(chǎn)物而積累。因此，大量的乙炔是在電弧中產(chǎn)生的。在變壓器油與空氣起氧化反應(yīng)時(shí)，伴隨生成CO、CO2，并且CO和CO2能長(zhǎng)期積累，成為數(shù)量顯著的氣體。這些分解出來(lái)的氣體形成氣泡在變壓器油中經(jīng)對(duì)流擴(kuò)散，不斷的溶解在油中。

不同的故障會(huì)產(chǎn)生不同的主要特征氣體和次要特征氣體，這些故障氣體的組成和含量與故障類型及嚴(yán)重程度有密切關(guān)系。分析溶解于油中的氣體，就能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部存在的潛伏性故障，并可隨時(shí)監(jiān)視故障的發(fā)展?fàn)顩r。因此，國(guó)家規(guī)程對(duì)于變壓器油中各種氣體的含量有著明確而嚴(yán)格的要求。特別是對(duì)于乙炔，它是反映故障放電的主要指標(biāo)，一旦出現(xiàn)，就可能是變壓器內(nèi)部嚴(yán)重故障的反應(yīng)。因此對(duì)于變壓器油中乙炔的含量應(yīng)嚴(yán)格要求和追蹤。對(duì)于出現(xiàn)含乙炔的變壓器油的變壓器，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行追蹤分析判斷，并結(jié)合電氣試驗(yàn)，對(duì)變壓器內(nèi)部運(yùn)行做出正確的分析判斷。當(dāng)變壓器油中的油氣組分超標(biāo)時(shí)，我們可以認(rèn)為其設(shè)備內(nèi)部就可能存在故障。氣相色譜技術(shù)的運(yùn)用充分解決了這一難題。變壓器油氣的色譜分析及色譜追蹤試驗(yàn)，能夠真實(shí)有效的反映設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部過(guò)熱或放電性故障，及早預(yù)防保證設(shè)備的正常運(yùn)行，有著重要的作用。

三、氣體分析

電力變壓器主要采用充油式絕緣，判斷變壓器內(nèi)部故障，通常采用絕緣特性試驗(yàn)，其缺點(diǎn)是不能在運(yùn)行中連續(xù)檢測(cè)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的放電與熱點(diǎn)等早期潛在故障很難發(fā)現(xiàn)。變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，絕緣油裂解產(chǎn)生氣體，只有當(dāng)油中氣體飽和后，才能從瓦斯繼電器反映出來(lái)，按過(guò)去沿用的氣體點(diǎn)燃檢查法，往往不能確定故障原因，造成誤判斷。用色譜分析法通過(guò)對(duì)特征氣體的分析可確定變壓器內(nèi)部是否有故障。

1.變壓器油征氣體擴(kuò)散分析。特征氣體在液體中的擴(kuò)散，是在整臺(tái)變壓器油中從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域轉(zhuǎn)移，其擴(kuò)展速度越快，說(shuō)明該組特征氣體濃度越高。根據(jù)這一理論，故障點(diǎn)的特征氣體含量越高，擴(kuò)展的速度越快；距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，特征氣體含量越低，擴(kuò)散速度也越慢。

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關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)能結(jié)構(gòu) 超級(jí)電容器 多飛渡電容 均壓PSIM

引言

在分析和對(duì)比大量?jī)?chǔ)能數(shù)據(jù)之后，選擇了具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的超級(jí)電容作為車載空氣凈化裝置的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)分為四部分，即檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、主電路和控制模塊。儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為核心，通過(guò)協(xié)調(diào)各模塊，可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組的電壓均衡。

超級(jí)電容器具有超大容量，較高能量密度，較大的放電電流和長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)使用壽命，因此具有很廣泛的應(yīng)用前景。由于超級(jí)電容器單體之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，當(dāng)超級(jí)電容器串聯(lián)的時(shí)候，超級(jí)電容單體之間會(huì)存在電壓不均衡現(xiàn)象，超級(jí)電容組將處于不健康的狀態(tài)。

超級(jí)電容的均壓分為能量消耗型和非能量消耗型兩種。能量消耗型均壓通過(guò)電路中電阻等元器件消耗多余的能量來(lái)達(dá)到均壓的效果。所以按其均壓的性質(zhì)可以分為：能量轉(zhuǎn)移式和能量轉(zhuǎn)換式。常見(jiàn)的幾種消耗能量的均壓電路有并聯(lián)電阻法、穩(wěn)壓管法和開(kāi)關(guān)電阻法。

由表1可知，在考慮到超級(jí)電容器數(shù)量，均壓時(shí)轉(zhuǎn)移電容的數(shù)量，電容的重量、電容的體積、均壓控制系統(tǒng)的難易程度，以及均壓的速度、均壓的精度和均壓的效率之后，決定采用改進(jìn)的多飛渡電容法進(jìn)行超級(jí)電容器儲(chǔ)能均壓電路設(shè)計(jì)與研究。

1.傳統(tǒng)多飛渡電容法電壓均衡原理

多飛渡電容均壓的工作原理就是在n個(gè)超級(jí)電容之間放置n-1個(gè)飛渡電容，通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，達(dá)到均壓的目的。多飛渡電容均壓法的拓?fù)潆娐啡鐖D2所示。

飛渡電容均壓法的等效電路圖如圖3所示，飛渡電容用等效模型電容C代替，假設(shè)C的初始電壓比C的電壓高，開(kāi)關(guān)K閉合，C開(kāi)始向C放電。

a.工作模式1（T≤t≤T；T為開(kāi)關(guān)K閉合起始時(shí)刻，T為開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)且K閉合時(shí)刻）

設(shè)C的初始電壓為U，工作t時(shí)間后C的電壓為U（t），初始電壓與t時(shí)刻的電壓之間的關(guān)系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，時(shí)間很短的一段工作期間內(nèi)，暫時(shí)將超級(jí)電容看成是一個(gè)電源，此時(shí)電路工作的等效電路圖如圖3所示。

i（t）=×e（1）

U（t）=U-（U-U）×e（2）

式（1）和式（2）為充電電流、電壓與時(shí)間的關(guān)系式，其中τ=R×C，R是放電回路中等效串聯(lián)電阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T時(shí)刻，開(kāi)關(guān)K閉合，飛渡電容C向超級(jí)電容C放電，充電t時(shí)間后，C電壓值用U表示。此時(shí)電路工作的等效電路圖如圖5所示。C放電時(shí)候的電流、電壓與放電時(shí)間的關(guān)系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改進(jìn)的多飛渡電容均壓控制

為提高能量轉(zhuǎn)移的效率，在原來(lái)的均壓電路的基礎(chǔ)上，對(duì)原有的多飛渡電容均壓法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其工作原理與原先的多飛渡均壓的工作原理類似。

3.飛渡電容仿真分析

利用PSIM軟件對(duì)由3支超級(jí)電容器串聯(lián)組成的儲(chǔ)能模塊進(jìn)行充電過(guò)程的仿真分析。超級(jí)電容器以KAMCAP為研究對(duì)象，其容量為16F，額定電壓為16V，最大充電電流11A，由于內(nèi)阻與漏電流對(duì)電路的影響較小，此處可以忽略不計(jì)。

設(shè)定3支超級(jí)電容器C、C、C容量及初始電壓分別為14.4F/0V，16F/0V，20.8F/0V。圖7給出在恒定10A電流充電情況下，普通充電模式下，單體電壓值、總電壓值及充電電流與時(shí)間關(guān)系的曲線。從圖7中可以明顯看到分散性對(duì)3支超級(jí)電容器充電的影響，當(dāng)C充滿時(shí)，C、C并未達(dá)到額定值，若繼續(xù)對(duì)電容充電，則C會(huì)過(guò)充，將嚴(yán)重影響其使用壽命，反之，則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)能量的利用率。經(jīng)過(guò)23.08s充電結(jié)束，各單體電壓、總電壓不再上升，恒流源停止充電，充電時(shí)長(zhǎng)與理論計(jì)算值一致。

圖8是均壓充電模式下各單體電壓值、總電壓值、充電電流與時(shí)間的曲線。在充電33.35s之后，各個(gè)單體電壓值達(dá)到一致，完成均壓，過(guò)程并沒(méi)過(guò)壓。當(dāng)C達(dá)到額定值，系統(tǒng)將其剔除停止充電，此時(shí)總電壓下降，充電電流產(chǎn)生一定波動(dòng)；當(dāng)C達(dá)到額定值，系統(tǒng)也將其剔除，此時(shí)總電壓繼續(xù)下降，充電電流又產(chǎn)生一次波動(dòng)；最終，C達(dá)到額定值，3支超級(jí)電容器都充滿，系統(tǒng)停止工作，總電壓將為0，實(shí)現(xiàn)均壓。

圖9是多飛渡電容電壓均衡效果圖。仿真參數(shù)設(shè)置如上，其超級(jí)電容器初始值同上?？梢?jiàn)，改進(jìn)后多飛度電容均壓充電效率和利用率都得到提升。

將3支超級(jí)電容器，分別通過(guò)普通充電、改進(jìn)前多飛渡電容法、改進(jìn)后多飛渡電容法進(jìn)行充電，對(duì)比仿真結(jié)果。普通充電所需時(shí)間最短，但其利用率較低。改進(jìn)前多飛渡電容法，利用多個(gè)飛渡電容，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的反復(fù)通斷，從而實(shí)現(xiàn)相鄰單體間能量轉(zhuǎn)移，以達(dá)到均壓的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺點(diǎn)。通過(guò)圖8和圖9的對(duì)比，可以看出改進(jìn)后的多飛度電容均壓法更能有效地提高利用效率。

結(jié)語(yǔ)

由于單個(gè)的超級(jí)電容之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，在給電容器充電的過(guò)程中，電壓不均衡將影響超級(jí)電容的使用壽命和儲(chǔ)能效率。通過(guò)對(duì)比分析各種超級(jí)電容均壓方法，確定了多飛渡電容均壓方案，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)方案，有效提高了均壓的效率和均壓誤差。最后通過(guò)PSIM仿真軟件驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明了所提方案的有效性。

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篇7

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它可以對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置[1]。但隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力負(fù)荷成分的日益復(fù)雜，各種電能質(zhì)量問(wèn)題如電壓跌落、電壓上升的電壓偏移問(wèn)題，瞬時(shí)斷電、暫時(shí)斷電的供電連續(xù)性問(wèn)題以及諧波等問(wèn)題在同一配電系統(tǒng)中同時(shí)出現(xiàn)的情況越來(lái)越多[2]。而傳統(tǒng)的有源電力濾波器功能單一，為了實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器多功能化的要求。本文提出了將超級(jí)電容器作為有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件，滿足了有源電力濾波器多功能化的要求。

1 有源電力濾波器的基本原理與存在問(wèn)題

圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖[3]。如圖所示整個(gè)系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路組成。其中指令電流運(yùn)算電路又稱為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路。當(dāng)指令電流運(yùn)算電路檢測(cè)出電網(wǎng)電流中含有諧波和無(wú)功等分量時(shí)，將產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的指令電流，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞饺鐪h(huán)控制作用于功率電路產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，此電流與檢測(cè)出的諧波和無(wú)功電流大小相等而方向相反，將補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，從而消除了電網(wǎng)電流中存在的諧波和無(wú)功分量[4]。

根據(jù)以上對(duì)有源電力濾波器的工作原理的分析可知，若有源電力濾波器僅用于補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，直流側(cè)Udc不需要儲(chǔ)能元件，當(dāng)用于諧波補(bǔ)償時(shí)儲(chǔ)能元件的容量也不需要很大。由于其儲(chǔ)能元件的容量很小從而有源電力濾波器不具備提供有功功率這一功能。選擇合適的直流側(cè)儲(chǔ)能元件增加其存儲(chǔ)能量，使有源電力濾波器可以運(yùn)行于四個(gè)象限，即同時(shí)發(fā)出無(wú)功功率和吸收有功功率，發(fā)出無(wú)功功率和發(fā)出有功功率，吸收無(wú)功功率和吸收有功功率，吸收無(wú)功功率和發(fā)出有功功率。這樣有源電力濾波器不僅可以補(bǔ)償諧波、無(wú)功和負(fù)序電流，還可以抑制電壓閃變、平衡三相電壓，解決了電網(wǎng)中存在的若干電能質(zhì)量問(wèn)題。

2 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)到10 000F。充電速度快在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過(guò)程，適合大電流和短時(shí)間充放電的場(chǎng)合。此外還具有工作溫度范圍廣，循環(huán)充放電次數(shù)多，排放零污染等特點(diǎn)[5]。

從表1可以看出超級(jí)電容器具有快速充放電和功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，可以用來(lái)解決電力系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問(wèn)題，例如電壓暫降和短時(shí)電壓中斷等。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由超級(jí)電容器組、整流器、逆變器、雙向變換器以及控制單元組成。將該儲(chǔ)能系統(tǒng)連接于微電網(wǎng)和負(fù)荷之間。未出現(xiàn)故障時(shí)，整流器提供的直流電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中，若電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓暫降等故障時(shí)，超級(jí)電容器通過(guò)逆變器向負(fù)載輸出能量，快速補(bǔ)償了系統(tǒng)所需，維持了負(fù)荷側(cè)的電壓等級(jí)?？紤]到能量的雙向流動(dòng)，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC/DC變換器與逆變器相連。

3 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成

從圖3中可以看到，本文所設(shè)計(jì)的裝置是在并聯(lián)型有源電力濾波器的基礎(chǔ)上增加了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，由整流器、Buck-Boost雙向DC/DC變換器，PWM逆變器和Γ型LC濾波器，串聯(lián)變壓器幾部分組成。

系統(tǒng)工作原理為，閉合輸入刀閘，由電網(wǎng)提供的電能一方面通過(guò)開(kāi)關(guān)S2向負(fù)載供電，一方面通過(guò)開(kāi)關(guān)S1向超級(jí)電容器充電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作于Buck方式，充電電阻R1限制了電容器充電瞬間所產(chǎn)生的巨大充電電流。當(dāng)平波電容器充電到80%的時(shí)候，將繼電器J1、J2閉合，通過(guò)充電電阻R2給超級(jí)電容器供電。此時(shí)開(kāi)關(guān)S3、S4斷開(kāi)，S5閉合。

當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到補(bǔ)償對(duì)象電流中存在諧波和無(wú)功分量后，將其反極性作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，采用三角波控制方式控制PWM逆變器產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，通過(guò)開(kāi)關(guān)S5向電網(wǎng)注入與諧波和無(wú)功電流大小相等方向相反的電流，起到了消除諧波和無(wú)功電流的目的。

當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到系統(tǒng)出現(xiàn)電壓暫降時(shí)。開(kāi)關(guān)S5、S2關(guān)斷，開(kāi)關(guān)S1、S3、S4導(dǎo)通。由電網(wǎng)和本裝置共同對(duì)負(fù)載供電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作于Boost方式，繼電器J3導(dǎo)通，PWM變流器通過(guò)Boost電路汲取超級(jí)電容器中的能量，裝置提供的補(bǔ)償電壓通過(guò)串接變壓器疊加到供電回路中。這里串聯(lián)變壓器將逆變器與電網(wǎng)隔離，降低了直流母線的電壓，便于功率器件的選取。

一旦電網(wǎng)停電，僅通過(guò)本裝置不間斷的對(duì)負(fù)載供電，為了防止電流反向流向電網(wǎng)開(kāi)關(guān)S1、S2應(yīng)處于關(guān)斷狀態(tài)。開(kāi)關(guān)S3、S4關(guān)斷S5導(dǎo)通。此時(shí)繼電器J3導(dǎo)通，雙向DC/DC變換器工作于Boost方式， PWM變流器通過(guò)Boost電路汲取超級(jí)電容器中的能量，由裝置為重要負(fù)荷供電。待電網(wǎng)恢復(fù)正常后，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，由電網(wǎng)供電。若超級(jí)電容器兩端電壓降低到其額定電壓的50%，電網(wǎng)還未恢復(fù)正常供電，主控單元向逆變器發(fā)出閉鎖脈沖，停止給負(fù)荷供電，負(fù)荷停止運(yùn)行。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器多功能化，獲得更高的性價(jià)比，其直流側(cè)儲(chǔ)能元件必須合理選擇。將超級(jí)電容器作為有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件，實(shí)現(xiàn)了多功能化的要求，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該裝置在有效地解決諧波補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也改善了電網(wǎng)中出現(xiàn)的電壓跌落等若干電能質(zhì)量問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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[5]張熙貴，王濤，夏保桂.一種優(yōu)秀的儲(chǔ)能元件――超級(jí)電容器[J]，2003(8)：40-42.

篇8

近期，市場(chǎng)調(diào)研公司IDTechEx提出了一個(gè)大膽論斷――超級(jí)電容器將會(huì)摧毀鋰離子電池市場(chǎng)。在題為《2014-2024年的超級(jí)電容市場(chǎng)》報(bào)告中，IDTechEx稱，到2024年，全球超級(jí)電容器市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到65億美元，市場(chǎng)份額增大的同時(shí)會(huì)吞噬電池市場(chǎng)。

所謂超級(jí)電容，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。

為什么有人認(rèn)為它必將取代鋰電池？主要還是從其性能考慮。相比于鋰電池，超級(jí)電容充放電速度快、效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)且安全性高。這些似乎都是如今電動(dòng)車推廣困局的解藥。

南車株機(jī)今年5月單批量交付的世界首列超級(jí)電容100%低地板有軌電車，其采用7500F雙電層超級(jí)電容，壽命長(zhǎng)達(dá)10年，充放電次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次。列車每次進(jìn)站可快速充電，最大充電時(shí)間30秒，最快10秒便能完成充電。

超級(jí)電容高于鋰電池的安全性能，也在近幾年的各類事件中得以彰顯。過(guò)去一年，波音、蘋果、特斯拉等公司都受困于鋰電池的安全性，頻頻引發(fā)事件。專家也指出鋰電池“本性難移”，很難從技術(shù)上彌補(bǔ)其安全性短板。而利用靜電電荷存儲(chǔ)電能的超級(jí)電容本身就保證了其安全性能。

現(xiàn)今，超級(jí)電容由于其能量密度低的短板，主要還扮演著鋰電池的配角角色。但由于“萬(wàn)能材料”石墨烯的應(yīng)用，超級(jí)電容替代鋰電池的腳步似乎越來(lái)越近。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)此的爭(zhēng)論頗多，沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。但相比國(guó)內(nèi)對(duì)于鋰電池的高度熱情，歐美多國(guó)的做法更加平衡。以德國(guó)為例，其于2008年頒布的《德國(guó)國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃》中就將超級(jí)電容與鋰電池的研發(fā)放在同樣相等的地位。

在超級(jí)電容器的產(chǎn)業(yè)化方面，美國(guó)、日本、俄羅斯、瑞士、韓國(guó)、法國(guó)的一些公司憑借多年的研究開(kāi)發(fā)和技術(shù)積累，目前處于領(lǐng)先地位。如美國(guó)的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，這些公司目前占據(jù)著全球大部分市場(chǎng)。

其中，Maxwell率先嘗到了來(lái)自中國(guó)市場(chǎng)的大蛋糕，據(jù)美國(guó)投行派杰（Piper Jaffray）分析師Alexander Potter稱：宇通公司目前是Maxwell的最大客戶，且訂單還在加速增長(zhǎng)。

篇9

關(guān)鍵詞：地鐵列車；供電系統(tǒng)；再生制動(dòng)；電阻制動(dòng)

地鐵列車，對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種移動(dòng)變化的負(fù)載。這些移動(dòng)變化的負(fù)載對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)性能有很高的要求。雖然設(shè)計(jì)的地鐵列車能夠在一定的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，然而由于電機(jī)的性能受供電電壓范圍及等級(jí)的影響，因此當(dāng)電壓等級(jí)低于或超過(guò)設(shè)計(jì)的供電電壓范圍時(shí)，將會(huì)影響列車的動(dòng)力性能，進(jìn)而影響列車的運(yùn)行速度。不斷增加的能源成本一直以業(yè)是地鐵運(yùn)營(yíng)管理部門嚴(yán)重關(guān)切的話題。如何降低能耗成為鐵路系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商須優(yōu)先考慮的問(wèn)題。

近年來(lái)，超級(jí)電容器技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，使應(yīng)用超級(jí)電容器作為能量?jī)?chǔ)存裝置儲(chǔ)存過(guò)度反饋的再生制動(dòng)能量成為一項(xiàng)可行的技術(shù)。

1 地鐵供電系統(tǒng)分析

地鐵供電系統(tǒng)是個(gè)非常復(fù)雜的電氣網(wǎng)絡(luò)。就像普通的配電網(wǎng)絡(luò)一樣，地鐵供電系統(tǒng)包括傳輸系統(tǒng)（架空線或?qū)щ娷墸┘柏?fù)載（地鐵列車）。所不同的是，地鐵供電系統(tǒng)的這些負(fù)載是移動(dòng)的，列車的速度和加速度隨時(shí)都在改變、加之列車位置的變化都會(huì)帶來(lái)地鐵供電系統(tǒng)負(fù)載的變化。

圖1所示為一段地鐵供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。Rs1和Rs2代表架空線阻抗。Rr1和Rr2代表回路導(dǎo)線阻抗。隨著地鐵列車的移動(dòng)，這些阻抗也發(fā)生著變化。列車牽引、惰行及制動(dòng)都會(huì)引起電流的改變，因此架空線電壓降會(huì)影響列車的運(yùn)行性能。

2 再生制動(dòng)的節(jié)能作用及原理

電阻制動(dòng)通過(guò)連接在電機(jī)兩端的電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)生成制動(dòng)電流通過(guò)電阻器耗散。這種制動(dòng)所產(chǎn)生的能量在較冷的環(huán)境下可以轉(zhuǎn)換為熱能用于車輛的采暖系統(tǒng)，但是更多時(shí)候熱量消散到周圍環(huán)境中去了。對(duì)于地鐵隧道系統(tǒng)，這些熱量將會(huì)造成隧道過(guò)熱[1]，因此，目前廣泛采用的是再生制動(dòng)系統(tǒng)。

再生制動(dòng)生成的電能反饋到架空線路上可被其它列車使用。再生制動(dòng)系統(tǒng)可以提高整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)的效率。然而再生制動(dòng)所產(chǎn)生的電流也會(huì)造成電壓的急劇上升并引起供電質(zhì)量問(wèn)題。再生制動(dòng)的有效性取決于系統(tǒng)的接受能力。如果在此線路區(qū)段上沒(méi)有其它車輛在運(yùn)行，則再生的能量無(wú)法被使用，因此這些能量就必須通過(guò)制動(dòng)電阻來(lái)耗散。

上述與再生制動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題，可考慮通過(guò)使用能量?jī)?chǔ)存裝置來(lái)避免。能量?jī)?chǔ)存裝置可將再生的能量存儲(chǔ)在列車上或者線路旁，因此也就降低了電壓驟升的幅度。儲(chǔ)存在車輛上的能量可用于補(bǔ)充列車加速所需能源，故能降低架空線路上產(chǎn)生的加速電流，從而降低了電壓驟降的幅度。

3 能量?jī)?chǔ)存裝置

近期能量?jī)?chǔ)存裝置有了重大發(fā)展，特別是針對(duì)電動(dòng)車輛、供電系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。超級(jí)電容器由在液體電解質(zhì)內(nèi)的兩個(gè)固體電極組成。離子滲透分離器用于電極的電氣絕緣，但允許電解質(zhì)離子通過(guò)。超級(jí)電容器在固體電極和電解液界面處儲(chǔ)存電荷，形成雙電層，通過(guò)兩個(gè)單層形成電容[2]。電荷層之間的距離只有幾個(gè)原子直徑，因此電容容量可以比常規(guī)的電容器容量要大得多。

未來(lái)還可以應(yīng)用一種超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）裝置儲(chǔ)存磁場(chǎng)中的能量[3]。將直流電充到線圈上，創(chuàng)建磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量。當(dāng)直流電勢(shì)消失時(shí)，能量也隨即釋放。使用低耗超導(dǎo)線圈可存儲(chǔ)更多的磁能量。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）用來(lái)改進(jìn)配電網(wǎng)的供電質(zhì)量[4]。

在地鐵供電系統(tǒng)中增設(shè)能量?jī)?chǔ)存裝置可以提高供電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)質(zhì)量，同時(shí)也能改進(jìn)對(duì)再生制動(dòng)利用的效率。儲(chǔ)能裝置可以增設(shè)在線路旁或地鐵車輛上。

圖2為在變電站增設(shè)能量?jī)?chǔ)存裝置的示意圖，即將超級(jí)電容器安置在配電站內(nèi)。原則上能量?jī)?chǔ)存裝置也可安裝在軌道的任一位置。

超級(jí)電容器可以看作是一個(gè)帶有電壓源的等效電路，一個(gè)等效串聯(lián)電阻（ESR）和一個(gè)等效并聯(lián)電阻（EPR），見(jiàn)圖3。

能量?jī)?chǔ)存裝置也可以安置在軌道的側(cè)面，采用這種安裝方案，所儲(chǔ)存的能量需要通過(guò)架空線向地鐵列車傳送，這種方案的缺點(diǎn)是存在電能傳輸過(guò)程損耗。為避免電能傳輸過(guò)程的損耗，可將儲(chǔ)能裝置安裝在地鐵車輛上[5]。

4 結(jié)論

本文介紹了使用再生制動(dòng)并結(jié)合能量?jī)?chǔ)存裝置節(jié)約電能提高地鐵供電系統(tǒng)供電品質(zhì)的組合方案。這種能量?jī)?chǔ)存裝置可以安裝在變電站內(nèi)，線路側(cè)，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級(jí)電容器技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用，這種組合節(jié)能方案將有很大的應(yīng)用可行性。

篇10

關(guān)鍵詞：聚苯胺；聚吡咯；共聚物；化學(xué)氧化聚合；電容性能

中圖分類號(hào)：TQ035 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2009）03-0300-02

1聚合物的化學(xué)氧化合成

聚吡咯的合成：根據(jù)文獻(xiàn)所述的方法，0 ℃下將FeCl3•6H2O（2. 365g，8.75mmol）加入到50mL，1mol/L的鹽酸溶液中，攪拌。30min之后，將蒸餾過(guò)的吡咯（1.22mL，17.56mmol）加入到上述的溶液中?；旌弦旱念伾芸熳兙G，而后又變成黑色。30min之后，將反應(yīng)所得的產(chǎn)物過(guò)濾，產(chǎn)物先用去離子水洗，再用乙醇洗，最后用丙酮洗，如此反復(fù)洗3次。洗滌后的產(chǎn)物在50℃干燥12h，得到黑色的聚吡咯粉末，記為1#樣品。

2 聚合物的電容性能研究

2.1 聚苯胺電容性能研究

由圖1可以看到合成的聚苯胺顆粒度較小，顆粒度達(dá)到微米數(shù)量級(jí)，顆粒表面呈凸起狀且有大量微孔結(jié)構(gòu)。這又利于電解液在電極表面的擴(kuò)散，而且增大了電解液和活性物質(zhì)的接觸面積，使得活性物質(zhì)有較高的利用率。用它來(lái)制作的電極不但會(huì)存在法拉第準(zhǔn)電容而且還會(huì)存在可觀的雙電層電容：因而有利于減小電極的極化現(xiàn)象：從而提高超級(jí)電容器的比電容和比能量。

分別采用（7，10，13）×10-3A/cm2的恒定電流密度，考察了不同電流下電極的充放電性能，得到圖2所示聚苯胺電極的充放電曲線。從圖中可以看到，隨著充放電電流密度增大，充放電時(shí)間相應(yīng)減少。同時(shí)充放電曲線并非理想的線性三角波形，說(shuō)明聚苯胺的法拉第準(zhǔn)電容性質(zhì)。且在不同的電流密度下的比電容分別為512，452，289 F/g。

在圖3中-0.005附近有一個(gè)明顯的還原峰，在0.447附近有一個(gè)明顯的氧化峰，由于聚苯胺的電化學(xué)反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反方向的電流，減緩工作電極電位下降的速度，從而使循環(huán)伏安呈現(xiàn)不對(duì)稱性。

圖4可以看出，聚苯胺電極的交流阻抗曲線上都出現(xiàn)了高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的直線，從圖中還可以看出，聚苯胺電極隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，代表電極電化學(xué)反應(yīng)電阻的高頻半圓直徑也大幅度增加，原因可能是聚苯胺電極中的聚苯胺分子鏈發(fā)生坍塌，離子遷移通道受阻，電解液離子的插入與脫出難以進(jìn)行，最終導(dǎo)致電極整體電阻增大。

從圖5可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)增加，PANI 電極的比電容逐漸下降，但下降并不明顯，顯示了良好的電容性能。下降的原因可能是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充放電循環(huán)，活性物質(zhì)發(fā)生一定程度的膨脹和收縮，也可能導(dǎo)致材料活性降低，進(jìn)而造成電極比電容降低。

2.2 聚吡咯電容性能研究

由圖6可以看出，當(dāng)以過(guò)硫酸銨FeCL3作氧化劑，鹽酸為摻雜劑，吡咯：氧化劑為2：1時(shí)得到的聚吡咯材料。顆粒度達(dá)到了0.3微米數(shù)量級(jí)，顆粒表面呈凸起狀且有大量微孔結(jié)構(gòu)。這又利于電解液在電極表面的擴(kuò)散，而且增大了電解液和活性物質(zhì)的接觸面積，使得活性物質(zhì)有較高的利用率。

分別采用（7，10，13）×10-3A/cm2的恒定電流密度，考察了不同電流下電極的充放電性能，得到圖7聚吡咯電極的充放電曲線。從圖中可以看到，隨著充放電電流密度增大，充放電時(shí)間相應(yīng)減少。容量降低，比電容也明顯下降，其原因可能是聚吡咯來(lái)不及摻雜與去摻雜引起的，也有可能是負(fù)極的炭電極來(lái)不及吸脫附電荷引起的，且在不同的電流密度下其比電容分別為216，163，108 F/g。

從圖8在 0.3V～0.6V之間有一對(duì)明顯的氧化還原峰，聚吡咯的儲(chǔ)能機(jī)理則是靠電子的遷移來(lái)完成，從該循環(huán)伏安圖上可以明顯看出聚吡咯的摻雜與去摻雜。其充電過(guò)程是聚吡咯發(fā)生P-摻雜同時(shí)活性炭電極發(fā)生陰極極化的過(guò)程，而放電過(guò)程是聚吡咯發(fā)生去摻雜和炭電極發(fā)生陽(yáng)極極化的過(guò)程。

從圖9可以看出低頻區(qū)的曲線都接近90°，這是離子向電極中快速擴(kuò)散的特征，這有利于電容器工作時(shí)快速提供電流，具有良好的電電容器性能，表現(xiàn)出較好電容性質(zhì)，但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，從圖中可以溶液的歐姆阻抗和接觸阻抗明顯增加，其主要原因可能是在充放電過(guò)程由于聚吡咯掉粉或者是由聚吡咯結(jié)構(gòu)坍塌引起的。

從圖10可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)增加，聚吡咯電極的比電容逐漸下降，但是其衰減并不嚴(yán)重，顯示了聚吡咯在酸性溶液中良好的循環(huán)性能。

2.3 共聚物在中性溶液中的電容性能研究

當(dāng)苯胺與吡咯的比為3：1時(shí)理論上計(jì)算的碳的含量為氮的含量為76%，氮的含量為16%，由能譜所測(cè)的炭和氮的含量分別為75%和11%，有稍微的差別，主要原因是所選的區(qū)域不同，含量也有差別，表1可見(jiàn)，該共聚物和理論上相符合。

經(jīng)計(jì)算在不同電流密度下它們的比電容分別為：827，489，375 F/g。

由圖12可以看出共聚物電極隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，代表電極電化學(xué)電阻的高頻半圓直徑也大明顯增加，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，斜率也明顯減小，相對(duì)應(yīng)電容性能變差，這與后面的循環(huán)壽命測(cè)試相照應(yīng)，原因是共聚物電極中的共聚物分子鏈發(fā)生坍塌，離子遷移通道受阻，電解液離子的插入與脫出難以進(jìn)行，最終導(dǎo)致電極整體電阻增大。

圖13循環(huán)壽命測(cè)試圖可以看出隨著循環(huán)次數(shù)增加，共聚物電極的比電容嚴(yán)重下降，尤其在充放電循環(huán)初期下降較快，這與其交流阻抗的電容性能不斷變差相照應(yīng)，共聚物電極比電容的衰減主要因共聚物的降解損失。

從圖形14中可以明顯看在相同的電解液和掃描范圍內(nèi)，共聚物的循環(huán)伏安曲線更接近矩形，平臺(tái)范圍也更為顯著和寬廣，對(duì)應(yīng)的電流要大，說(shuō)明其具有更大的比電容從該循環(huán)伏安圖上可以明顯顯示出共聚物的摻雜與去摻雜。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題研究的是超級(jí)電容器的電容性能，聚合物作為電容器的活性物質(zhì)，即超級(jí)電容器的核心部分，研究它的電容性能對(duì)于超級(jí)電容器來(lái)說(shuō)是十分重要的。

本課題中的聚吡咯是在低溫、一定的機(jī)械攪拌速度下化學(xué)氧化合成的，它的顆粒度達(dá)到了0.3微米，其在7×10-3A/cm2 恒定電流密度下其比電容可達(dá)216 F/g。

另外該實(shí)驗(yàn)提出自己的創(chuàng)新之處，即將吡咯，苯胺按一定比例化學(xué)氧化合成，得到共聚物，經(jīng)研究在7×10-3A/cm2恒定電流密度下其比電容可達(dá)827 F/g，但是它的容量保持率低。還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［1］王玉芬，曹學(xué)偉，藍(lán)國(guó)祥. 碳納米管晶格振動(dòng)模及拉曼光譜的研究進(jìn)展［J］. 光譜學(xué)與光譜分析，2000 ，20 （2） ：180.