超級電容器范文

導語：如何才能寫好一篇超級電容器，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

摘 要：本文主要對超級電容器領域的相關專利申請的分析進行了梳理，并進行了舉例說明。超級電容電極材料主要包括碳材料、金屬氧化物材料、導電聚合物材料以及復合材料，本文主要介紹了碳材料在超級電容器領域的應用，并具體從活性炭、碳纖維、碳氣凝膠、碳納米管、石墨五個分支分別介紹了超級電容器。

關鍵詞：超級電容器;碳材料;活性炭;碳纖維;碳氣凝膠;碳納米管;石墨;專利申請

1 不同電極材料在超級電容器上的研究與應用

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為雙電層特性，雙電層電容器充電時在電極/溶液界面通過電子和離子或偶極子的定向排列產生雙電層電容儲能，其電荷及電位分布如圖1（a）所述。加上直流電壓后，經過一段時間在2個極化電極與電解液的界面上就會形成新的雙電層，其電荷與電位分布如圖1（b）所示。充電時通過外部電源，電子從正極轉移到負極，同時，溶液中的正負離子各自反向擴散到電極表面，能量以電荷形式存儲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，離子不會遷移到溶液中去，保證雙電層的穩定。

目前已經公開的有關碳基材的超級電容的申請有2560篇，其中多孔碳因具有較高的比表面積和孔隙率，且相對于碳納米管、石墨烯等具有成本低廉、原料豐富、適合大規模生產等優點依然是超級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電容器電極材料表現出較好的穩定性（CN102417178）。而且，作為多孔碳的一種，活性炭作為超級電容的電極材料有著更進一步的優勢，將具有1600cm2/g特定表面的活性碳細微粒子放入模具，不使用任何粘結劑，施加300kg/cm2的壓強，分別供給一個90秒鐘的750A的離子脈沖電流和一個120秒鐘的1000A的熱電流，從而產生一個薄圓盤形的細微碳粒子的多孔燒結體，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電性較差，所得電容器等效串聯電阻大。而且該活 性碳系列的比表面積實際利用率不超過30%，電解質離子難以進入，因此不 適于用作超級電容器的電極材料。碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）的出現為超級電容器的開發提供了新的機遇，它具有良好的導電性能且本身的比表面積大，制得的超級電容器 具有較高的比電容量和電導率。（CN101425380清華大學）

然而，無論怎樣，以碳材料作為電極材料雖然有諸多優點，但是由于其只利用雙電層儲存能量，在性能方面有所限制，因此出現了金屬氧化物材料的電極開發與研究。

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能量，而是在電容器進行充放電時，金屬氧化物與溶液的界面處發生可逆氧化還原反應，從而獲得更大的比容量。目前世界范圍內關于金屬氧化物材料的超級電容的專利申請量為413篇。剛開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，由于價格昂貴，很大的程度上制約了釕金屬電極材料的應用。所以，后來人們開始將目光轉向其他的廉價金屬以替代氧化釕，或者利用碳材料或其他金屬化合物與其進行復合，在提高電極材料的同時，減少氧化釕的用量從而降低超級電容器的制造成本。比如，以二氧化錳作為電極材料，形成超級電容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放電過程中發生了可逆的氧化還原反應，其比電容遠高于活性炭電極的比電容。

1.3 導電聚合物材料

導電聚合物超級電容器與金屬氧化物電容器同屬于贗電容型超級電容器，因其良好的固有導電率和高能量密度，同時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，有關導電聚合物電極材料的專利有250篇。導電聚合物超級電容器的最大優點就是能夠在較高的電壓下進行工作，克服金屬氧化物超級電容器工作電壓不高的問題。對陰極基材表面進行化學蝕刻，如涂覆腐蝕性物質或實施電化學蝕刻等，然后涂覆導電聚合物涂層，所述導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，得到比許多傳統涂層材料更高的電容（CN103310985 AVX公司）。通過使用規定的導電性高分子結合于表面，并且具有規定的直徑的細孔容積為特定的比率的多孔質碳材料作為電極材料，可獲得具有高靜電容量，循環特性優異的雙電層電容器。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 橫濱橡膠株式會社）。

1.4 復合材料

為了進一步增大超級電容器的能量存儲，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合材料不僅增加了活性材料的有效利用，也增加了復合材料的導電率以及機械強度，現今，已有大量的文獻和專利對碳材料作為基體來改善復合材料的電化學性能進行了研究，僅涉及復合材料的專利申請量就達到了355篇。例如，通過使氧化釕和特定的碳材料復合化，可以使氧化釕的比表面積和電極物質的空間這兩者擴大，從而通過納米復合化來實現電荷利用率的提高（CN1964917B 國立大學法人東京農工大學）。因此，未來對于超極電容器復合電極材料的研究可能會吸引越來越多的目光。

2 碳電極材料在超級電容器上的研究與應用

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。實際上，研究發現，高比表面積的碳材料的實際利用率并不高，因為碳材料的孔徑分為微孔（<20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中對于形成雙電層有利可以作為超級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還要同時調控孔徑的分布。目前，已有多種不同類型的碳材料應用于超級電容器電極材料上，關于碳電極材料的相關專利申請主要集中在活性炭、碳纖維、碳氣凝膠、碳納米管、石墨五個方面。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電容器的電極，使其表面與電解質接觸（KR20100011228 LS美創有限公司）。然而活性炭的導電性不強，因此在利用活性炭制得電極時，可以對普通活性炭進行化學改性，使之具有良好的導電性、較高的表觀密度和高比容量，并加入乙炔黑等導電劑以增強活性炭電極的導電性（CN1419256 A成都茵地樂電源科技有限公司）。

而且，活性炭的來源十分廣泛，作為超級電容器的關鍵材料直接影響到超級電容器的性能。目前，常用的活性炭的制備原材料主要來自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如沖繩產或其它的來源）獲得的原料經碳化獲得碳化物，將碳化物進行堿活性化得到活性炭（CN101503189 產業技術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電容器用活性炭（US8318356B2 康寧股份有限公司）;利用低密度農業廢棄物，通過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，它可以以化學形式結合其他原子和原子團，因此碳纖維具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高導電性碳纖維作為負極活性物質，所制得的超級電容器的庫侖效率將提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本電池株式會社）。通過添加細微碳纖維來改善充放電容量、改善電極極板強度，這里提到的細微碳纖維，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，以提高負極材料的結晶性來提高容量時，不僅僅是負極材料，進而對添加材料也要求具有放電容量高的材料。因此，對于其添加材料的碳材料，提高其結晶性并獲得導電性好的細微碳纖維是十分有必要的（CN1343269 A昭和電工株式會社）。現在，關于碳纖維作為超級電容器電極領域的研究仍然吸引著眾多學者的關注，有關的專利申請量為157篇。

2.3 碳氣凝膠

碳氣凝膠是由美國人Pekala首先發現的一種新型納米多孔材料，一經出現立刻引起各國研究工作者的濃厚興趣。通過調整碳氣凝膠的孔隙大小，其具有更優良的導電性（JP2011159960 三星電機株式會社）。另外，由于經過溶膠-凝膠化反應得到的碳氣凝膠材料一般呈塊狀，這時需要把塊狀氣凝膠球磨成微米級粉末（～10μm），不僅費時費力，還費錢。因此出現了一種直接制得粉末狀碳氣凝膠的制備方法，可以滿足應用多樣化的需求（CN103449406 A 中山大學）。但是，現階段制備碳氣凝膠的工藝較為復雜，在制備碳氣凝膠的前驅體時通常采用超臨界干燥技術，該方法成本高，過程復雜，生產周期長，規模化生產難度大，并且具有一定的危險性，因此各國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發現碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）以來，其具有的優良的機械和光電性能，被認為是復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，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，將碳納米管與一結合劑混合，模制成一平板價型，制得電極，其中碳納米管可以是單壁或者多壁碳納米管（CN1317809株式會社日進納米技術）。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PTFE濾紙得到一紙膜壓單壁碳納米管片材，將該片材放置于刻蝕鋁箔的表面，然后設置隔膜等，制得超級電容器（US2010259867 A1 日本化工株式會社）。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電容器（CN103332689中國科學院寧波材料技術與工程研究所）。或者將單層碳納米管與多層碳納米管混合，與粘結劑作用制得電極材料（JP2008010681 A愛考斯研究株式會社）。

2.5 石墨

單層石墨材料作為新型的超級電容器的電極材料，是利用其二維結構，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，表面的官能團存在使單層石墨材料與電解液充分潤濕。與傳統的活性炭作為電極材料的超級電容器相比節省能源;與碳納米管

作為電極材料的超級電容器相比，成本低廉。新型的超級電容器性能

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

3 總結

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關鍵詞：超級電容器 贗電容器 原理 特點 應用

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）008-029-02

超級電容器的發展始于20世紀60年代，作為一種新型儲能器件，其主要介于傳統電容器與電池間。與傳統電容器比較可得，超級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、充放電循環次數高（大于105次）、充放電效率高、免維修等優點。在本案，筆者以超級電容器為研究對象，探析其原理、應用領域及應用效果。

1 超級電容器分類

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

就電能機理而言，超級電容器分為雙電層電容器、法拉第準電容（貴金屬氧化物及貴金屬電極）；電容產生機理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應為依據的吸附電容。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而不斷增大。

就超級電容器電極上的反應情況及結構而言，超級電容器可劃分為非對稱型及對稱型。對稱型超級電容器即為兩個電極反應相同、組成相同、反應方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對稱型超級電容器即為兩個電極反應不同、電極組成不同。

超級電容器可用電壓的最大值取決于電解質分解電壓。電解質可為強堿、強酸等水溶液，亦或鹽的質子惰性溶劑等。通過水溶液體系，超級電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過有機溶液體系，超級電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。

2 超級電容器的原理

就存儲電能的機理而言，超級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，其能量儲存主要是通過電解質與電極間界面雙層得以實現。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢必會引起固液界面產生一個雙層電荷，該電荷具備符號相反及穩定性強的特點。

雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料（碳氣凝膠、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。需要強調的一點是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內，其對孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電層電容的提高意義至關重要。

2.2 贗電容器原理

贗電容（法拉第準電容），主要是指在電極材料體相、表面準二維或二維空間內，以欠電位沉積電活性物質為依托，發生高度可逆的氧化脫附、化學吸附或還原反應，從而產生一個與電極充電電位間存在一定關系的電容。因一切反應均發生于整個體相內，則其最大電容值相對更大，如：吸附型準電容為2000*10-6F/cm2。就氧化還原型電容器而言，其最大電容量更大。已經被公認了的碳材料比容值為20*10-6F/cm2，則在重量級體積相同條件下，贗電容器容量等同于10-100倍雙電層電容器容量。現階段，贗電容器的電極材料主要是導電聚合物及金屬氧化物。

近年來，超級電容器電極材料新增了導電聚合物。聚合物產品電子電導率極好其電子電導率不典型數值高度1-100S/cm。以還原反應及電化學氧化反應為依托，在電子軛聚合物鏈上，導電聚合物引入負電荷及正電荷中心，此時，電極的電勢決定了負電荷及正電荷中心的充電程度。導電聚合物能量存儲的途徑為法拉第過程。現階段，能夠于較高還原電位條件下高穩定低發生電化學n型摻雜的導電聚合物數量相當少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。

3 超級電容器的特點

3.1 優點

（1）容量超高：超級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：超級電容器主要提供瞬時大電流，其短時斷流高達幾百至幾千安培，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，長使用壽命：超級電容器充放電過程對電極材料結構無任何負面影響，且電極材料使用次數對使用壽命無任何負面影響。

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

（5）環保、免維護：超級電容器材料無毒、安全、環保。

（6）可長時間放置：超級電容器因長時間放置而導致起電壓下降，但只需對其充電便可使其電壓復原，且超級電容器容量性能不會因此受到任何影響。

3.2 缺點

超級電容器的缺點主要是漏電流量大、能量密度低級單體工作電壓低等。

4 超級電容器的應用

超級電容器憑借自身眾多優點而被廣泛應用于各行各業，例如：充當記憶器、計時器、內燃機啟動電力；電腦等電子產品；航空；太陽能電池輔助電源；電動玩具車主電源等領域。在本案，筆者就超級電容器于消費電子、電動汽車及混合電動汽車、電力系統級內燃機車啟動等四大領域的應用展開探討。

4.1 消費電子

超級電容器憑借著自身循環壽命長、儲能高、質量輕等優點而被廣泛應用于微型計算機、存儲器、鐘表及系統主板等備用電源領域。超級電容器的充電時間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導致系統電壓降低，則超級電容器將起后備補充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。圖1為電路中超級電容器應用原理圖。

超級電容器完全可以代替電池而成為新型環保型小型用電器電源，且數字鐘、錄音機、電動玩具、照相機及便攜式攝影機等電源都可選取超級電容器，理由是超級電容器具備經濟性高及循環壽命長等優點。若將超級電容器與電池聯用，其使用效果極佳，即允許長期供電、蓄電池容量大、克服超大電流放電相關局限等。若將超級電容器應用于大功率大脈沖電源，尤其是某些無線技術便攜裝置，其應用效果不言而喻。

4.2 電動汽車及混合電動汽車

超級電容器的獨特優勢大大滿足了電動汽車對電動電源的需求。相對于超級電容器，傳統動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汽車動力電源的需要。就電動車加速、啟動或爬坡等高功率需求環節，超級電容器為其提供了極大的方便。如果將超級電容器配合動力電池使用，則電池受到大電流充放電的負面影響將大幅度降低。此外，在再生自動系統的協助下，可將瞬間能量回收，以提高超級電容器能量利用率。

4.3 電力系統

隨著超級電容器的問世，電解電容器已逐漸被超級電容器所取代。若將超級電容器應用到高壓開關站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發揮儲能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲能低等缺點而引發的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規避相關安全事故的發生。與此同時，若以超級電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡單結構，且能有效地減少電力系統的維護量，并能大幅度降低電力系統運行成本。

超級電容器在分布式電網儲能中的應用很廣，且其應用效果極佳。分布式電網系統以多組超級電容器為依托，以電場能形式為主要手段，將能量一一儲存起來，并在能量緊缺的情況下，通過控制單元，將能量釋放出來，以此為系統提供足夠的能量，從而確保了系統內電能平衡機控制的穩定性。

4.4 內燃機車啟動

通常情況下，內燃機車柴油發電機組啟動主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時間較長，尤其是冬天，其時間要求更是嚴格，則其使用效果不理想，且其經濟性及環保性不高。針對這一點，德國研究人員首先做出了將超級電容器應用于汽車啟動上的嘗試，他們試圖通過超級電容器解決怠速汽車因停車導致的能源浪費等問題。實驗結果顯示，超級電容器蓄電池組質量僅為1/3傳統車用蓄電池組，但其實現了將啟動機啟動扭矩提高1/2，從而有效地增加了內燃機車啟動轉速。

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關鍵詞： 超級電容器； 充放電電路； PWM控制； DSP

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

當今社會，能源問題越來越受人類的關注。超級電容器作為一種新型的綠色儲能元件，由于其不可替代的優良特性，針對其的研究和認識越來越深刻。LI，NIMH諸如此類的新型電池已經在大家的生活中廣泛應用。但由于其原理為電化學反應，在使用壽命及環境友好方面是存在缺陷的。而超級電容器具有使用壽命長、環境良好、功率密度高、充電速度快等優點，并且在短時間內可以瞬時釋放能量、高低溫性能好，所以在能量供應方面的優越性得到越來越多國家、軍事部門及工業界的重視。經過多年的發展，現在在混合電動車、武器及不間斷電源等領域具有潛在的廣泛應用前景。

1 超級電容器的結構

根據構造的不同，超級電容分為兩類：雙電層電容與法拉第準電容[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]，整個過程是簡單的物理儲能。后者被稱為電化學電容。在相同電極面積下，法拉第準電容可達到雙電層電容量[3]的上百倍。現在廣泛認可的超級電容器模型如圖1所示，在大部分測試中，可以忽略EPR的影響。

圖1 超級電容器典型模型

圖中ESR表示等效串聯電阻，它會降低超級電容器實際可用的有效儲能率，值較小；EPR[3]表示等效并聯電阻，它會產生靜態漏電流，在超級電容器處于靜止儲能狀態時會造成電能的損失，其值較大；C表示超級電容的電容量。

2 恒流充放電性能測試

恒流源作為一種穩定的電源，他的輸出與外接負載無關。由于市場需求，恒流源在近幾年發展比較迅速，由原先的鎮流管發展到半導體集成電路。恒流充放電測試法是一種比較直觀準確的超級電容器的測試方法，它測量的指標主要有在充放電過程中，電容量與內阻的變換規律。

2.1 充電電路

如圖2所示，恒流充電電路采用Buck電路的拓撲[4]，開關K采用功率開關管Mosfet，二極管采用快恢復型，通過實時采樣由電感輸出的電流值，與PWM波產生芯片SG3525的基準電壓進行比較，輸出PWM波，再經過芯片IR2110驅動并控制功率開關管的導通與關斷。通過仿真可得以下超級電容器恒流充電的圖形如圖3和圖4所示。

圖2 超級電容器傳統恒流充電電路原理圖

圖3 超級電容器恒流充電電流波形

圖4 超級電容器恒流充電電壓波形

2.2 放電電路

對于超級電容器恒流放電電路，其工作原理圖如圖5所示。

圖5 超級電容器恒流放電原理圖

超級電容器恒流放電電路，電流響應波形與超級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阻是不是會隨著充放電電流的變化而有所變化。

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

圖6 超級電容器恒流放電電流波形

圖7 超級電容器恒流放電電壓波形

3 電容量性能測試

超級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，當測試電流小于峰值電流時，超級電容器的電容量[5]基本保持不變，當測試電流超過峰值電流的情況下，超級電容器的電容量迅速下降，這是因為當測試電流大于或者等于峰值電流的情況下，放電時間過短，放電電路電流還未達到穩定。通過圖8看出，在實際應用場合，可以認為超級電容器的電容量是保持恒定的。

圖8 超級電容器在不同放電電流下電容值

4 超級電容器內阻

本文采用階躍信號激勵測試超級電容器內阻，如圖9，圖10所示。

圖9 超級電容內阻測試階躍信號

圖10 超級電容階躍響應

仿真超級電容器在上述不同測試電流階躍信號下[6]，計算內阻的值，經過擬合得到的結果如圖11所示。

圖11 超級電容器放電電流

從圖中可以看出，當有小電流作用時，超級電容器內阻較將有較大變動幅度，在中等電流作用時，超級電容器內阻變動幅度不大。

5 結 論

根據以上分析結果可知，超級電容器的電容量特性、內阻特性有如結論：超級電容器的電容量在不同的充放電電流作用下，變幅很小，所以在實際應用的場合，可看作定值。超級電容器在不同的充放電電流作用下，由于內阻的存在，會使電壓產生一定范圍內的突變，尤其在小電流的作用下，內阻對輸出電壓的影響是最大的。

參考文獻

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[4] 陳永真，李錦.電容器手冊[M].北京：科學出版社，2008.

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Maxwell公司總裁兼CEO Richard Balanson博士介紹說：“全球每年大約有超過6000萬新汽車下線，隨著電子和電力系統增多，以及對于安全性能要求更高，在一些高檔車中用電消耗逐漸增大，汽車電力網絡系統的穩定問題更加突出，給基于超級電容器的應用解決方案提供了商機。”

據稱BCAP0310P250是該公司功率型版本超級電容器的最新產品，其主要特性包括用途廣泛、性能更高，可以在混合驅動系統、怠速啟動／停車系統、全電動制動和駕駛系統、以及其他需要穩定電源網絡的系統中取代傳統的基于電池的解決方案。目前汽車制造商正在一些應用中采用超級電容器解決方案，目的是保證系統具有較高的效能，確保可靠的發動機冷啟動，更好地管理汽車車體內的電力分配，為關鍵應用分系統提供電力備份等等。

Maxwell公司新的BOOSTCAP功率產品還包括超級電容器單元系列，容量從650F到2600F，10個基于新超級電容器單元的模塊產品，所有這些容量高于650F的超級電容器工作電壓為2．7V，可以在單位體積內用來存儲更多能量和釋放更多電力，Maxwell公司還可以針對非關鍵應用工業領域(lighter duty industrial)、不間斷電源、電信應用、以及消費類電子應用提供一系列低成本產品。Maxwell公司介紹說，所有新的產品都超出了要求最嚴格的運輸和工業應用要求，無論是在能力存儲、還是在功率的釋放等方面都可給系統本身帶來性能提升，不僅如此，這些產品可以充，放電一百萬次以上，具有極高的可靠性和產品穩定性，Maxwell公司專有的產品設計架構和創新的材料使這些產品擁有更低的生產成本，在市場中居于更加有利的位置。上述面向汽車應用領域的多個單元組成的模塊被組裝在一個可靠、液體防濺(splash-proof)的鋁合金底座上，各個單元之間可以做到平衡配置，可以幫助設計工程師實現“即插即用”解決方案。不僅如此，各個模塊之間的平衡關系也可以滿足對于高電壓應用較高的場合。

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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。它的分離原理是使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，叫做固定相，另一相則是推動混合物流過此固定相的流體，叫做流動相。當流動相中所含的混合物經過固定相時，就會與固定相發生相互作用。由于各組分在性質與結構上的不同，相互作用的大小強弱也有差異。因此在同一推動力作用下，不同組分在固定相中的滯留時間有長有短，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，稱為色譜分離技術或色譜法。

當載氣攜帶著不同物質的混合樣品通過色譜柱時，氣相中的物質一部分就要溶解或吸附到固定相內，隨著固定相中物質分子的增加，從固定相揮發到氣相中的試樣物質分子也逐漸增加，也就是說，試樣中各物質分子在兩相中進行分配，最后達到平衡。這種物質在兩相之間發生的溶解和揮發的過程，稱分配過程。分配達到平衡時，物質在兩相中的濃度比稱分配系數，也叫平衡常數，以K表示，K＝物質在固定相中的濃度／物質在流動相中的濃度，在恒定的溫度下，分配系數K是個常數。

由此可見，氣相色譜的分離原理是利用不同物質在兩相間具有不同的分配系數，當兩相作相對運動時，試樣的各組分就在兩相中經反復多次地分配，使得原來分配系數只有微小差別的各組分產生很大的分離效果，從而將各組分分離開來。然后再進入檢測器對各組分進行鑒定。

二、氣體來源

絕緣油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物，分子中含有CH3、CH2和CH化學基團并由C-C鍵鍵合在一起。當變壓器內部發生故障時，其初期會分解出各種氣體，溶解于變壓器油中，當故障嚴重時，也可能聚集成游離氣體。各種氣體產生的條件不同，如局部放電，通過離子反應、斷裂主要生成H2，通過積累重新化合成甲烷、乙烯、乙烷、乙炔等氣體，重新化合時分別需要各自的溫度和能量。一般說來，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，而且當溫度降低時反應被迅速抑制，作為重新化合的產物而積累。因此，大量的乙炔是在電弧中產生的。在變壓器油與空氣起氧化反應時，伴隨生成CO、CO2，并且CO和CO2能長期積累，成為數量顯著的氣體。這些分解出來的氣體形成氣泡在變壓器油中經對流擴散，不斷的溶解在油中。

不同的故障會產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重程度有密切關系。分析溶解于油中的氣體，就能盡早發現設備內部存在的潛伏性故障，并可隨時監視故障的發展狀況。因此，國家規程對于變壓器油中各種氣體的含量有著明確而嚴格的要求。特別是對于乙炔，它是反映故障放電的主要指標，一旦出現，就可能是變壓器內部嚴重故障的反應。因此對于變壓器油中乙炔的含量應嚴格要求和追蹤。對于出現含乙炔的變壓器油的變壓器，應嚴格按規定進行追蹤分析判斷，并結合電氣試驗，對變壓器內部運行做出正確的分析判斷。當變壓器油中的油氣組分超標時，我們可以認為其設備內部就可能存在故障。氣相色譜技術的運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，能夠真實有效的反映設備的運行情況，對于盡早發現設備內部過熱或放電性故障，及早預防保證設備的正常運行，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，判斷變壓器內部故障，通常采用絕緣特性試驗，其缺點是不能在運行中連續檢測，對設備內部的放電與熱點等早期潛在故障很難發現。變壓器出現故障時，絕緣油裂解產生氣體，只有當油中氣體飽和后，才能從瓦斯繼電器反映出來，按過去沿用的氣體點燃檢查法，往往不能確定故障原因，造成誤判斷。用色譜分析法通過對特征氣體的分析可確定變壓器內部是否有故障。

1.變壓器油征氣體擴散分析。特征氣體在液體中的擴散，是在整臺變壓器油中從密度大的區域向密度小的區域轉移，其擴展速度越快，說明該組特征氣體濃度越高。根據這一理論，故障點的特征氣體含量越高，擴展的速度越快；距離故障點越遠，特征氣體含量越低，擴散速度也越慢。

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關鍵詞： 儲能結構 超級電容器 多飛渡電容 均壓PSIM

引言

在分析和對比大量儲能數據之后，選擇了具有獨特優勢的超級電容作為車載空氣凈化裝置的儲能結構。儲能結構分為四部分，即檢測模塊、驅動模塊、主電路和控制模塊。儲能結構的系統框圖如圖1所示。系統以PIC單片機為核心，通過協調各模塊，可以實現超級電容組的電壓均衡。

超級電容器具有超大容量，較高能量密度，較大的放電電流和長時間的循環使用壽命，因此具有很廣泛的應用前景。由于超級電容器單體之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，當超級電容器串聯的時候，超級電容單體之間會存在電壓不均衡現象，超級電容組將處于不健康的狀態。

超級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電路中電阻等元器件消耗多余的能量來達到均壓的效果。所以按其均壓的性質可以分為：能量轉移式和能量轉換式。常見的幾種消耗能量的均壓電路有并聯電阻法、穩壓管法和開關電阻法。

由表1可知，在考慮到超級電容器數量，均壓時轉移電容的數量，電容的重量、電容的體積、均壓控制系統的難易程度，以及均壓的速度、均壓的精度和均壓的效率之后，決定采用改進的多飛渡電容法進行超級電容器儲能均壓電路設計與研究。

1.傳統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個超級電容之間放置n-1個飛渡電容，通過開關矩陣實現能量轉移，達到均壓的目的。多飛渡電容均壓法的拓撲電路如圖2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C的初始電壓比C的電壓高，開關K閉合，C開始向C放電。

a.工作模式1（T≤t≤T；T為開關K閉合起始時刻，T為開關K斷開且K閉合時刻）

設C的初始電壓為U，工作t時間后C的電壓為U（t），初始電壓與t時刻的電壓之間的關系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，時間很短的一段工作期間內，暫時將超級電容看成是一個電源，此時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、電壓與時間的關系式，其中τ=R×C，R是放電回路中等效串聯電阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T時刻，開關K閉合，飛渡電容C向超級電容C放電，充電t時間后，C電壓值用U表示。此時電路工作的等效電路圖如圖5所示。C放電時候的電流、電壓與放電時間的關系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改進的多飛渡電容均壓控制

為提高能量轉移的效率，在原來的均壓電路的基礎上，對原有的多飛渡電容均壓法進行了改進，改進后的拓撲結構圖如圖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軟件對由3支超級電容器串聯組成的儲能模塊進行充電過程的仿真分析。超級電容器以KAMCAP為研究對象，其容量為16F，額定電壓為16V，最大充電電流11A，由于內阻與漏電流對電路的影響較小，此處可以忽略不計。

設定3支超級電容器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間關系的曲線。從圖7中可以明顯看到分散性對3支超級電容器充電的影響，當C充滿時，C、C并未達到額定值，若繼續對電容充電，則C會過充，將嚴重影響其使用壽命，反之，則會影響整個系統能量的利用率。經過23.08s充電結束，各單體電壓、總電壓不再上升，恒流源停止充電，充電時長與理論計算值一致。

圖8是均壓充電模式下各單體電壓值、總電壓值、充電電流與時間的曲線。在充電33.35s之后，各個單體電壓值達到一致，完成均壓，過程并沒過壓。當C達到額定值，系統將其剔除停止充電，此時總電壓下降，充電電流產生一定波動；當C達到額定值，系統也將其剔除，此時總電壓繼續下降，充電電流又產生一次波動；最終，C達到額定值，3支超級電容器都充滿，系統停止工作，總電壓將為0，實現均壓。

圖9是多飛渡電容電壓均衡效果圖。仿真參數設置如上，其超級電容器初始值同上。可見，改進后多飛度電容均壓充電效率和利用率都得到提升。

將3支超級電容器，分別通過普通充電、改進前多飛渡電容法、改進后多飛渡電容法進行充電，對比仿真結果。普通充電所需時間最短，但其利用率較低。改進前多飛渡電容法，利用多個飛渡電容，通過控制開關管的反復通斷，從而實現相鄰單體間能量轉移，以達到均壓的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺點。通過圖8和圖9的對比，可以看出改進后的多飛度電容均壓法更能有效地提高利用效率。

結語

由于單個的超級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程中，電壓不均衡將影響超級電容的使用壽命和儲能效率。通過對比分析各種超級電容均壓方法，確定了多飛渡電容均壓方案，在分析其工作原理的基礎上，提出了改進方案，有效提高了均壓的效率和均壓誤差。最后通過PSIM仿真軟件驗證，仿真結果表明了所提方案的有效性。

參考文獻：

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[4]于鵬，楊仁剛.超級電容串聯儲能系統的并聯電容均壓方法[J].農業工程學報，2014-12-23.

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有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它可以對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，是一種理想的諧波補償裝置[1]。但隨著電網結構和電力負荷成分的日益復雜，各種電能質量問題如電壓跌落、電壓上升的電壓偏移問題，瞬時斷電、暫時斷電的供電連續性問題以及諧波等問題在同一配電系統中同時出現的情況越來越多[2]。而傳統的有源電力濾波器功能單一，為了實現有源電力濾波器多功能化的要求。本文提出了將超級電容器作為有源電力濾波器直流側儲能元件，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題

圖1為并聯型有源電力濾波器的原理圖[3]。如圖所示整個系統由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路組成。其中指令電流運算電路又稱為諧波和無功電流檢測電路。當指令電流運算電路檢測出電網電流中含有諧波和無功等分量時，將產生與之相對應的指令電流，采用適當的控制方式如滯環控制作用于功率電路產生實際的補償電流，此電流與檢測出的諧波和無功電流大小相等而方向相反，將補償電流注入到電網中，從而消除了電網電流中存在的諧波和無功分量[4]。

根據以上對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償無功功率時，直流側Udc不需要儲能元件，當用于諧波補償時儲能元件的容量也不需要很大。由于其儲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。選擇合適的直流側儲能元件增加其存儲能量，使有源電力濾波器可以運行于四個象限，即同時發出無功功率和吸收有功功率，發出無功功率和發出有功功率，吸收無功功率和吸收有功功率，吸收無功功率和發出有功功率。這樣有源電力濾波器不僅可以補償諧波、無功和負序電流，還可以抑制電壓閃變、平衡三相電壓，解決了電網中存在的若干電能質量問題。

2 超級電容器儲能系統

超級電容器作為一種新型的儲能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前單體超級電容器的最大電容量可達到10 000F。充電速度快在幾十秒到數分鐘內完成充電過程，適合大電流和短時間充放電的場合。此外還具有工作溫度范圍廣，循環充放電次數多，排放零污染等特點[5]。

從表1可以看出超級電容器具有快速充放電和功率密度大的優點，可以用來解決電力系統中的一些暫態問題，例如電壓暫降和短時電壓中斷等。

超級電容儲能系統主要由超級電容器組、整流器、逆變器、雙向變換器以及控制單元組成。將該儲能系統連接于微電網和負荷之間。未出現故障時，整流器提供的直流電能儲存在超級電容器中，若電網中出現電壓暫降等故障時，超級電容器通過逆變器向負載輸出能量，快速補償了系統所需，維持了負荷側的電壓等級。考慮到能量的雙向流動，超級電容通過雙向DC/DC變換器與逆變器相連。

3 基于超級電容儲能的有源電力濾波器的系統構成

從圖3中可以看到，本文所設計的裝置是在并聯型有源電力濾波器的基礎上增加了超級電容儲能系統，由整流器、Buck-Boost雙向DC/DC變換器，PWM逆變器和Γ型LC濾波器，串聯變壓器幾部分組成。

系統工作原理為，閉合輸入刀閘，由電網提供的電能一方面通過開關S2向負載供電，一方面通過開關S1向超級電容器充電，此時雙向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生的巨大充電電流。當平波電容器充電到80%的時候，將繼電器J1、J2閉合，通過充電電阻R2給超級電容器供電。此時開關S3、S4斷開，S5閉合。

當檢測電路檢測到補償對象電流中存在諧波和無功分量后，將其反極性作為補償電流的指令信號，采用三角波控制方式控制PWM逆變器產生實際的補償電流，通過開關S5向電網注入與諧波和無功電流大小相等方向相反的電流，起到了消除諧波和無功電流的目的。

當檢測電路檢測到系統出現電壓暫降時。開關S5、S2關斷，開關S1、S3、S4導通。由電網和本裝置共同對負載供電，此時雙向DC/DC變換器工作于Boost方式，繼電器J3導通，PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，裝置提供的補償電壓通過串接變壓器疊加到供電回路中。這里串聯變壓器將逆變器與電網隔離，降低了直流母線的電壓，便于功率器件的選取。

一旦電網停電，僅通過本裝置不間斷的對負載供電，為了防止電流反向流向電網開關S1、S2應處于關斷狀態。開關S3、S4關斷S5導通。此時繼電器J3導通，雙向DC/DC變換器工作于Boost方式， PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，由裝置為重要負荷供電。待電網恢復正常后，開關S1導通，由電網供電。若超級電容器兩端電壓降低到其額定電壓的50%，電網還未恢復正常供電，主控單元向逆變器發出閉鎖脈沖，停止給負荷供電，負荷停止運行。

4 結論

為了實現有源電力濾波器多功能化，獲得更高的性價比，其直流側儲能元件必須合理選擇。將超級電容器作為有源電力濾波器直流側儲能元件，實現了多功能化的要求，通過仿真驗證了該裝置在有效地解決諧波補償的同時，也改善了電網中出現的電壓跌落等若干電能質量問題。

參考文獻

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

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近期，市場調研公司IDTechEx提出了一個大膽論斷――超級電容器將會摧毀鋰離子電池市場。在題為《2014-2024年的超級電容市場》報告中，IDTechEx稱，到2024年，全球超級電容器市場價值將達到65億美元，市場份額增大的同時會吞噬電池市場。

所謂超級電容，是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。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組成的雙電層結構獲得超大的容量。由于其容量很大，對外表現和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。

為什么有人認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，超級電容充放電速度快、效率高、循環壽命長且安全性高。這些似乎都是如今電動車推廣困局的解藥。

南車株機今年5月單批量交付的世界首列超級電容100%低地板有軌電車，其采用7500F雙電層超級電容，壽命長達10年，充放電次數可達100萬次。列車每次進站可快速充電，最大充電時間30秒，最快10秒便能完成充電。

超級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，頻頻引發事件。專家也指出鋰電池“本性難移”，很難從技術上彌補其安全性短板。而利用靜電電荷存儲電能的超級電容本身就保證了其安全性能。

現今，超級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“萬能材料”石墨烯的應用，超級電容替代鋰電池的腳步似乎越來越近。

雖然國內外對此的爭論頗多，沒有達成共識。但相比國內對于鋰電池的高度熱情，歐美多國的做法更加平衡。以德國為例，其于2008年頒布的《德國國家電動汽車發展計劃》中就將超級電容與鋰電池的研發放在同樣相等的地位。

在超級電容器的產業化方面，美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發和技術積累，目前處于領先地位。如美國的 Maxwell，日本的Nec、松下、Tokin和俄羅斯的Econd公司等，這些公司目前占據著全球大部分市場。

其中，Maxwell率先嘗到了來自中國市場的大蛋糕，據美國投行派杰（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。

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關鍵詞：地鐵列車；供電系統；再生制動；電阻制動

地鐵列車，對于地鐵供電系統來說是一種移動變化的負載。這些移動變化的負載對地鐵供電系統的電壓調節性能有很高的要求。雖然設計的地鐵列車能夠在一定的電壓范圍內運行，然而由于電機的性能受供電電壓范圍及等級的影響，因此當電壓等級低于或超過設計的供電電壓范圍時，將會影響列車的動力性能，進而影響列車的運行速度。不斷增加的能源成本一直以業是地鐵運營管理部門嚴重關切的話題。如何降低能耗成為鐵路系統運營商須優先考慮的問題。

近年來，超級電容器技術及設備的發展，使應用超級電容器作為能量儲存裝置儲存過度反饋的再生制動能量成為一項可行的技術。

1 地鐵供電系統分析

地鐵供電系統是個非常復雜的電氣網絡。就像普通的配電網絡一樣，地鐵供電系統包括傳輸系統（架空線或導電軌）及負載（地鐵列車）。所不同的是，地鐵供電系統的這些負載是移動的，列車的速度和加速度隨時都在改變、加之列車位置的變化都會帶來地鐵供電系統負載的變化。

圖1所示為一段地鐵供電系統簡圖。Rs1和Rs2代表架空線阻抗。Rr1和Rr2代表回路導線阻抗。隨著地鐵列車的移動，這些阻抗也發生著變化。列車牽引、惰行及制動都會引起電流的改變，因此架空線電壓降會影響列車的運行性能。

2 再生制動的節能作用及原理

電阻制動通過連接在電機兩端的電阻器來實現。電機生成制動電流通過電阻器耗散。這種制動所產生的能量在較冷的環境下可以轉換為熱能用于車輛的采暖系統，但是更多時候熱量消散到周圍環境中去了。對于地鐵隧道系統，這些熱量將會造成隧道過熱[1]，因此，目前廣泛采用的是再生制動系統。

再生制動生成的電能反饋到架空線路上可被其它列車使用。再生制動系統可以提高整個地鐵供電系統的效率。然而再生制動所產生的電流也會造成電壓的急劇上升并引起供電質量問題。再生制動的有效性取決于系統的接受能力。如果在此線路區段上沒有其它車輛在運行，則再生的能量無法被使用，因此這些能量就必須通過制動電阻來耗散。

上述與再生制動相關的問題，可考慮通過使用能量儲存裝置來避免。能量儲存裝置可將再生的能量存儲在列車上或者線路旁，因此也就降低了電壓驟升的幅度。儲存在車輛上的能量可用于補充列車加速所需能源，故能降低架空線路上產生的加速電流，從而降低了電壓驟降的幅度。

3 能量儲存裝置

近期能量儲存裝置有了重大發展，特別是針對電動車輛、供電系統和航空航天領域的應用。超級電容器由在液體電解質內的兩個固體電極組成。離子滲透分離器用于電極的電氣絕緣，但允許電解質離子通過。超級電容器在固體電極和電解液界面處儲存電荷，形成雙電層，通過兩個單層形成電容[2]。電荷層之間的距離只有幾個原子直徑，因此電容容量可以比常規的電容器容量要大得多。

未來還可以應用一種超導儲能系統（SMES）裝置儲存磁場中的能量[3]。將直流電充到線圈上，創建磁場，儲存磁場能量。當直流電勢消失時，能量也隨即釋放。使用低耗超導線圈可存儲更多的磁能量。超導儲能系統（SMES）用來改進配電網的供電質量[4]。

在地鐵供電系統中增設能量儲存裝置可以提高供電網的電壓調節質量，同時也能改進對再生制動利用的效率。儲能裝置可以增設在線路旁或地鐵車輛上。

圖2為在變電站增設能量儲存裝置的示意圖，即將超級電容器安置在配電站內。原則上能量儲存裝置也可安裝在軌道的任一位置。

超級電容器可以看作是一個帶有電壓源的等效電路，一個等效串聯電阻（ESR）和一個等效并聯電阻（EPR），見圖3。

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

4 結論

本文介紹了使用再生制動并結合能量儲存裝置節約電能提高地鐵供電系統供電品質的組合方案。這種能量儲存裝置可以安裝在變電站內，線路側，也可以安裝在地鐵列車上。隨著超級電容器技術與設備的發展及應用，這種組合節能方案將有很大的應用可行性。

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關鍵詞：聚苯胺；聚吡咯；共聚物；化學氧化聚合；電容性能

中圖分類號：TQ035 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2009）03-0300-02

1聚合物的化學氧化合成

聚吡咯的合成：根據文獻所述的方法，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，將蒸餾過的吡咯（1.22mL，17.56mmol）加入到上述的溶液中。混合液的顏色很快變綠，而后又變成黑色。30min之后，將反應所得的產物過濾，產物先用去離子水洗，再用乙醇洗，最后用丙酮洗，如此反復洗3次。洗滌后的產物在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，顆粒度達到微米數量級，顆粒表面呈凸起狀且有大量微孔結構。這又利于電解液在電極表面的擴散，而且增大了電解液和活性物質的接觸面積，使得活性物質有較高的利用率。用它來制作的電極不但會存在法拉第準電容而且還會存在可觀的雙電層電容：因而有利于減小電極的極化現象：從而提高超級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，充放電時間相應減少。同時充放電曲線并非理想的線性三角波形，說明聚苯胺的法拉第準電容性質。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附近有一個明顯的還原峰，在0.447附近有一個明顯的氧化峰，由于聚苯胺的電化學反應，會產生一個相反方向的電流，減緩工作電極電位下降的速度，從而使循環伏安呈現不對稱性。

圖4可以看出，聚苯胺電極的交流阻抗曲線上都出現了高頻區的半圓和低頻區的直線，從圖中還可以看出，聚苯胺電極隨著充放電循環次數的增加，代表電極電化學反應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行，最終導致電極整體電阻增大。

從圖5可以看出，隨著循環次數增加，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過長時間的充放電循環，活性物質發生一定程度的膨脹和收縮，也可能導致材料活性降低，進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，當以過硫酸銨FeCL3作氧化劑，鹽酸為摻雜劑，吡咯：氧化劑為2：1時得到的聚吡咯材料。顆粒度達到了0.3微米數量級，顆粒表面呈凸起狀且有大量微孔結構。這又利于電解液在電極表面的擴散，而且增大了電解液和活性物質的接觸面積，使得活性物質有較高的利用率。

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，充放電時間相應減少。容量降低，比電容也明顯下降，其原因可能是聚吡咯來不及摻雜與去摻雜引起的，也有可能是負極的炭電極來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之間有一對明顯的氧化還原峰，聚吡咯的儲能機理則是靠電子的遷移來完成，從該循環伏安圖上可以明顯看出聚吡咯的摻雜與去摻雜。其充電過程是聚吡咯發生P-摻雜同時活性炭電極發生陰極極化的過程，而放電過程是聚吡咯發生去摻雜和炭電極發生陽極極化的過程。

從圖9可以看出低頻區的曲線都接近90°，這是離子向電極中快速擴散的特征，這有利于電容器工作時快速提供電流，具有良好的電電容器性能，表現出較好電容性質，但是隨著循環次數的增加，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程由于聚吡咯掉粉或者是由聚吡咯結構坍塌引起的。

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

2.3 共聚物在中性溶液中的電容性能研究

當苯胺與吡咯的比為3：1時理論上計算的碳的含量為氮的含量為76%，氮的含量為16%，由能譜所測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域不同，含量也有差別，表1可見，該共聚物和理論上相符合。

經計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次數的增加，代表電極電化學電阻的高頻半圓直徑也大明顯增加，且隨著循環次數的增加，斜率也明顯減小，相對應電容性能變差，這與后面的循環壽命測試相照應，原因是共聚物電極中的共聚物分子鏈發生坍塌，離子遷移通道受阻，電解液離子的插入與脫出難以進行，最終導致電極整體電阻增大。

圖13循環壽命測試圖可以看出隨著循環次數增加，共聚物電極的比電容嚴重下降，尤其在充放電循環初期下降較快，這與其交流阻抗的電容性能不斷變差相照應，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，共聚物的循環伏安曲線更接近矩形，平臺范圍也更為顯著和寬廣，對應的電流要大，說明其具有更大的比電容從該循環伏安圖上可以明顯顯示出共聚物的摻雜與去摻雜。

3 結語

本課題研究的是超級電容器的電容性能，聚合物作為電容器的活性物質，即超級電容器的核心部分，研究它的電容性能對于超級電容器來說是十分重要的。

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

另外該實驗提出自己的創新之處，即將吡咯，苯胺按一定比例化學氧化合成，得到共聚物，經研究在7×10-3A/cm2恒定電流密度下其比電容可達827 F/g，但是它的容量保持率低。還需進一步研究。

參考文獻

［1］王玉芬，曹學偉，藍國祥. 碳納米管晶格振動模及拉曼光譜的研究進展［J］. 光譜學與光譜分析，2000 ，20 （2） ：180.