1.1.2　超级电容技术现状

超级电容又称电化学电容、双电层电容器、黄金电容、法拉电容，由于其静电容量比普通电容高3~9个数量级，达到千法拉或万法拉而得名。德国物理学家亥姆霍兹在19世纪末发现，在电势的作用下，电极和电解液之间的固液双层结构间可以存储电荷，根据这一发现研发了利用电解质极化以静电荷方式储存能量的超级电容。超级电容的充放电属于物理过程，具有循环次数高、充电过程快的特点，非常适合在电动车中应用。超级电容电容量大且内阻小，使其可以有很高的工作电流和数倍于工作电流的峰值电流，因此具有很高的比功率，这个特点使超级电容非常适合在大电流频繁充放电的工况下使用。对于电动汽车而言，超级电容的这些特性可以满足其在起步、加速和制动等工况下对大电流高功率的需求。由于超级电容采用的是物理储能方式，不涉及化学反应，因此理论上超级电容不存在过放问题，可以一直放电到0而不会损坏。超级电容与普通电容相比的一个重要特点是时间常数较大（秒级），因此不适用于交流电路。

国际上，美国、日本、瑞士、俄罗斯、法国、韩国等国家的一些公司凭借多年的技术基础和经验积累在超级电容的研发上占据领先地位。同时这些国家的政府机构也十分重视超级电容的研发，将其列为一项战略工程。国外主要超级电容厂商产品性能如表1-3所示。

表1-3　国外主要超级电容厂商产品性能

在国内，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京理工大学、北京科技大学、北京化工大学、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等也在开展电动车用超级电容的开发研究工作，国家“十五”计划和“863”电动汽车重大专项攻关中已将电动车用超级电容的开发列入发展计划。

超级电容高输出功率的特性引起了人们的广泛关注，应用范围包括各种专用车辆和乘用车。目前，各国都很重视超级电容在乘用车领域的应用。

① 日本最早将超级电容应用于混合动力电动汽车。超级电容的研发是近年来日本电动车动力系统开发中的重要领域之一。本田的FCX.V2燃料电池超级电容混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，该车已于2002年在日本和美国的加利福尼亚州上市。本田公司又在其开发出的第三代FCX.V3和第四代燃料电池电动车FCX.V4中使用了自行开发研制的超级电容来取代动力电池组，减少了汽车的重量和体积，使系统效率增加，同时可在刹车时回收能量。测试结果表明，使用超级电容时燃料效率和加速性能均得到明显提高。日产公司于2002年6月24日生产了安装有柴油机、电动机和超级电容的并联混合动力卡车，此外还推出了天然气-内燃机-超级电容混合动力客车，该车的经济性是传统天然气汽车的2.4倍。目前，装备超级电容的混合动力电动公交车已经成为日本的国家科技攻关方向。

② 瑞士的PSI研究所在一辆48kW的燃料电池汽车上安装了360W·h的超级电容组，超级电容承担了驱动系统在减速和启动时的全部瞬态功率，以50kW的15s额定脉冲功率来协助燃料电池工作，牵引电机额定连续功率为45kW，峰值功率为75kW，采用360V直流电源。

③ 美国在超级电容方面的研究也取得了一定进展，Maxwell公司所开发的超级电容在多种类型电动汽车上得到了良好的应用。另外，美国NASA的Lewis研究中心研制的混合动力客车也采用超级电容作为主要的能量存储系统。

④ 我国对以超级电容作为唯一能源的电动汽车的研究取得了一定的进展。2004年7月我国首辆“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行，该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点，当车辆进站停靠时在30s内快速充电，充电后就可持续供电，驱动车辆到达下一站，车辆运行时速可达44km/h。2006年8月28日，上海超级电容蓄能无轨电车商业运行线路正式开通。运营车辆采用上海奥威公司生产的超级电容，电容公交电车每公里带空调耗电1.4度，仅为燃油汽车的30%，刹车制动能量回收率达40%，中途充电仅需30s，终点站充电约90s。

未来超级电容主要有三个技术发展方向。

① 提高单体模块额定电压。

② 提高超级电容容量和比能量。

③ 降低超级电容成本。

超级电容大规模推广应用的重要因素之一是成本。采用碳电极或导电聚合物电极的超级电容在生产过程中不使用贵金属，其成本会随产量的增加而下降。高校或实验室用于实验的电容价格较贵，本书在后面章节为搭建硬件在环仿真平台购买的超级电容，单体额定电压为2.7V，价格折合人民币约2.00元/F。