超级电容技术分析及其在汽车领域和其他领域的应用

　   无论如何称呼，超电容(ultracapacitor)或者超级电容(supercapacitor)这类新型电容都比传统的电容器的电容大得多。直接地说，您现在可以购买到额定值为5～10F/2.5V的径向引线式板载电容、额定值为120～150F/5V的闪光灯电池大小的电容，更大的单电容可以达到650～3000F/2.7V的电容值。注意，所有这些电容器的电容值都是以法拉为单位的。而在不久以前，两千微法的器件就被认为是大电容了。

　　如果您需要更多种类的电容，您可以订购电容额定值为20F到500F、电压额定值为15V到390V的各种电容器现货。如果采用适当的串/并联组合，您甚至可以用这类电容驱动一辆巴士(bus)——对，不是电路板上的布线，而是载人的巴士汽车。(尽管混合燃料系统、化学电池和燃料电池指日可待，但是它们迟迟没有正式投入使用)。

　　在研发超电容时，人们并没有发现什么新的物理定律。实际上，有关超电容的原理仍然要追溯到德国物理学家赫尔姆霍兹。与普通电容器一样，超电容也是采用在两个“极板”之间储存电荷的形式来储存能量的。电容值的大小与极板的面积以及两极板之间所用的介电材料成正比，与两极板之间的距离成反比。但是，超电容的原理有所不同。

　　在用超电容实现巨大的电容之前，我们就已经掌握了电解化学(electrolytics)的原理。超电容不是电解化学，但是了解电解化学有助于我们认识超电容这一新型的技术。

　　之所以称之为电解化学，是因为它的一个(或两个)“极板”是在金属衬底的表面形成的非金属电解质。在制造过程中，电压驱动电流从阳极金属板通过导电的电镀槽流向阴极。这样就会在阳极的表面产生一层绝缘的金属氧化物——电介质。

　　在电解化学中，当把电极浸入到电解溶液中时，会在电极分界面上出现电荷累积和电荷分离的现象。电解液中反向带电离子的累积补偿了电极表面的剩余电荷。这一分界面称为赫尔姆霍兹层(Helmholtz layer)。

　　超电容的结构不再是那种中间填充介电材料的平板电极(或者卷成管状的平板电极)结构——就像三明治中间的花生酱。在超电容中，电荷的充/放电发生在电解质中多孔碳精材料或多孔金属氧化物之间的分界面上。

　　Helmholtz层引起了一种称为双层电容的效应。当把一个直流电压加载到超电容中多孔碳精电极的两端，用于电荷补偿的阳离子或阴离子就会在带电电极周围的电解液中发生累积。如果分界面上不出现电子迁移，那么“两层”分离的电荷(金属一侧的电子或电子空穴，以及界面边界电解液一侧的阳离子或阴离子)就会出现在分界面上(如图1所示)。　　

　　图1：超电容实质上包含两个极板和一块悬挂在电解液中的隔板。正极板吸引电解液中的阴离子。负极板吸引阳离子。这形成了所谓的电化学双层电容(EDLC)，其中具有两层电容式存储结构。

　　Helmholtz-region电容的大小取决于多孔碳精电极的面积以及电解液中的离子容量。双层电极上每平方厘米的电容大小是普通介电电容的10000倍。这是因为双层电极中电荷之间的距离大约只有0.3到0.5nm，而电解化学中这一距离为10到100nm，云母电容或聚苯乙烯电容为1000nm。

　　我们已经对这种“双层”电极的原理有所了解。但是，这种双层结构降低了实际器件应该达到的理论电容值，因为超电容包括一对电极，每个电极的面积只有总面积的一半。另外，超电容实际上是两个电容相串联而成的。因此，超电容的实际电容值只有根据电极面积和离子容量计算出来的理论电容值的四分之一。

　　　电池与超电容

　　有些文献喜欢将电池和超电容混为一谈，掩盖了二者很多重要的差异：

　　电池存储的是以瓦时计算的能量，电容存储的是以瓦特计算的功率。

　　电池以长时间恒定的化学反应来提供电能，充电时间相对较长，对充电电流的特性要求比较苛刻。相反，电容的充电是通过加载在其两端的电压来完成的，充电速度在很大程度上取决于外部电阻。电池能够在较长一段时间内以基本恒定的电压输出电能。而电容的放电速度很快，输出电压呈指数规律衰减。

　　电池只能够在有限的充/放电次数内保持良好的工作状态，充/放电的次数取决于它们放电的程度。电容，尤其是超电容，可以反复充/放电达数千万次。(这也是超电容不同于电解化学的一个重要方面——它们不像电解化学的工作过程那样具有电极板充放电次数的限制。)

　　电池比较笨重，电容比较轻巧。

　　电池与电容的很多差异可以用Ragone图来形象地说明(如图2所示)。Ragone图常用于分析，但是实际上，Ragone图是Y轴上的能量密度(单位是Wh/kg)与X轴上的功率密度(单位是W/kg)二者之间的双对数(log-log)关系图。由于是双对数坐标图，放电时间可以表示为直线对角参数。　　

　　图2：Ragone图表示储能器件的能量密度与功率密度之间的对数-对数关系，其中放电时间表示为斜对角线。该图也十分便于比较电池与超电容的特性。

　　图2中的Ragone图表示不同种类的化学电池(聚集在图的左侧)和不同种类的电容(图的右侧)之间的差异。根据Ragone图综合来看，这些特性使得电池和超电容之间构成了互补的而不是对立的关系。实际上，这就是它们得以普遍应用的原因。

　　最新应用

　　超电容最主要的应用是用来稳定直流总线电压。超电容已在汽车领域得到了广泛应用，用于保护各种引擎控制部件和微控制器免受瞬态负载突变导致的电压暂降的干扰。(电压尖脉冲由其他方法来处理。)

　　这些瞬态负载突变通常与发动机有关。但是，如果车载娱乐系统的扬声器输出功率比较强，那么这种负载也可能来源于音频脉峰。与在车载娱乐系统的12V电压输入端简单放置一个超电容不同的是，一份来自澳大利亚超电容制造商Cap-XX的应用说明给出了一种增大D级输出放大器H桥电压的方法(如图3所示)。其中采用了一个小型的升压转换器，将偶然脉峰所需的功率存储在一对超电容内。　　

　　图3：在汽车电子应用领域，超电容常与微控制器结合使用，以保护它们不受总线电压突降的影响。图中的应用实例进一步采用了一个小型的升压转换器对两个超电容进行“升压”，之后这两个超电容为D级音频放大器中的H桥供电。

　　另外在交通运输领域，超电容具有快速吸收和释放能量的能力，比电池更适合于实现再生制动机制。大多数这类用途已经在公共运输行业得以应用(如图4所示)。德国曼海姆市轻轨系统中的Bombardier有轨电车采用600个2600F的超电容组实现了制动能量回收机制。所存储的能量被用于车辆的加速推进以及无动力路段和交叉路口的动力衔接。这是一种全电气化的轨道系统，回收的刹车能量减少了所需的输电网络。从这一点上来看，该原型系统证明能够达到30%的节能效果。　　

　　图4：在交通运输系统中，超电容对于再生制动技术是非常有用的，因为它能够存储车辆制动的能量并在需要的时候释放大量的能量。

　　曼海姆将超电容安装在有轨电车的车身上，另外一种方法就是将超电容安装在轨道两旁。在演示这一实现方法时，西门子运输系统公司在其Sitras SES系统中采用超电容实现了制动能量的回收装置，并应用于科隆和马德里的地铁线路上。在典型的轨道旁实现方案中，超电容能够吸收半径3km以内所有列车的制动能量。

　　在美国的混合交通运输应用中，运行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在车辆毛重情况下，这种巴士能够在17秒以内实现0到31mph的加速度，并且能够达到62mph的最大速度。有关统计数据表明，基于超电容的系统相比基于电池的混合电动系统具有更高的平均燃料效率。利用这种超电容加上电池设计的混合巴士汽车能够回收38%的推进能量，这相当于将燃料效率平均提高了3.9英里/加仑。

　　ISE研发了自己的热控模块，每个模块采用了144个18F的超电容。这种模块在400A的电流下能够提供360V的电压。一对这样的模块相互串联能够实现720V的额定电压(800V峰值电压)。这种双组件结构支持高达300kW功率水平下的充放电周期，能够存储约0.6kWh的能量。

　　再生制动技术能够回收动能。这类应用还能够回收势能。最近的一个实例是应用在铲车上，但是更广泛的潜在应用市场是建筑电梯系统。

　　在铲车应用领域，General Hydrogen推出了一种新型的“Hydricity Packs”燃料电池系统，其大小能够直接代替传统工业设备中的铅蓄电池。其中的超电容组能够在每次装卸叉携带托盘下降时存储势能，在提升重物需要增强功率时释放能量。图5给出了典型的铲车功率使用分布图，很好地说明了燃料电池和超电容二者的协同作用。　　

　　图5：铲车在降下货物时可以捕捉并存储相应的势能，这些能量可用于将其他货物抬升到较高的存货区。该铲车能量的时间关系图表示氢燃料电池与超电容阵列分担负载的情况。

　　短暂的放电时间对某些超电容应用是有积极作用的。在欧洲的风力农场中，最新的风电涡轮叶片直径达到了160ft，轮轴距离地面250ft高。在风力较大时，叶片转速较快，以免涡轮发生逆向旋转。这需要为每个叶片设置大扭矩的调节电机以及相应的电源。

　　尽管可以利用铅蓄电池实现这种系统，但是人们在设计风力涡轮时采用了超电容。电池可能需要定期的维护，而超电容却不需要。当然，维护电池的工作需要雇用一些熟练的服务人员攀爬塔架。他们必须专注于繁重的维护工作，不断在几千座塔架上爬上爬下，才能对电池进行有效的维护。

　　电路设计

　　超电容、电池、燃料电池和太阳能电池板的相互结合产生了很多新颖的设计方案。最近在达拉斯召开的功率电子技术大会上发表的论文中介绍了很多这类方案，代表了该技术的当前最新发展水平。

　　在一篇名为“Storing Power with Super Capacitors”的论文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便携式应用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的无线数据卡，在数据信号的传输过程中需要峰值电流的支持，而这种峰值电流超出了PC卡、CF卡或USB标准的范畴。

　　DeLurio还发现在手机相机的LED闪光照明装置上也存在类似的问题。他说，“设计者的面临挑战在于如何以一种最有效的方式将电池、DC-DC转换器和超级电容互连起来，限制超级电容的充电电流，在负荷事件之间对电容不断进行重新充电。”

　　DeLurio认为，超电容的问题在于它们的ESR(equivalent series resistance，等效串联电阻)较低。当最初电容放电之后，它对于充电电路而言就像是一个低值电阻。由此而产生的瞬间起峰大电流实际上造成了电池的短路。此外，他指出，“所有这种类型的电路都需要短路、过压和电流保护机制。”

　　设计者可以采用电阻串联的方式来限制电流，但是这种方案会导致电容的充电时间太长而无法接受。DeLurio介绍了一种PC卡应用，其中为限制PC卡主机/卡通信电流而设置的电阻使得充电时间达到了7分钟的量级。

　　在主机/卡通信之后采用更大的电流可以缩短充电时间。实际上，如果将这一原理进一步扩展，那么在电容充电的过程中可以采用某种方式在一连串电阻上进行切换，从而达到控制电流的目的。

　　但是这种方法“要求必须对切换点的时机进行精确的控制，这可能需要非常精准和昂贵的电阻，或者采用额外的电压检测器进行监测，” DeLurio说，“而且，当电容完全充电并将PC卡拔掉时，存储在电容内的能量足以损坏插脚。”

　　相反，DeLurio介绍了Analogic Tech推出的一种新型“智能开关”。AAT4620型限电流P沟道MOSFET电源开关是针对无线卡超电容应用而特别设计的。它有两套独立的、电阻可编程的电流限制电路，以及受控于AAT4620核心温度的功率环路。

　　Microchip公司的Keith Curtis发表的“Super-Capacitor Power Storage”一文首先指出，采用线性充电器对超电容进行充电是无效的。他接着介绍了一种经过改进的DC-DC降压调节器(如图6a所示)作为合适的充电电路，因为这种电路能够“调节电容的充电电流，与输出电压无关……使用电压反馈作为判断充电是否完成的依据。”

　　图6：为了在卫星系统中同时集成电池、太阳能电池板和超电容，Microchip和AMSAT的设计人员采用了一种改进的开关式降压转换器对超电容进行充电(a)。通过升压转换器的放电将会使超电容正常的指数式放电曲线趋于平坦，降压/升压转换器相结合的方式(b)采用了很多相同的元件。

　　这种电路的效果与DeLurio之前介绍的类似，但是更具通用性。对于该电路的工作方式，“电流……通过比较电感器中的电流与两个固定的电流值来进行调节;一个是预期的最大电流，另一个是最小电流，” Curtis说。

　　“最初，电感器只需很短的时间就能够从最小电流上升到最大电流，因为电感器上的电压处于最大值。放电时间将会相应延长，因为电感必须放电到一个相对较低的电压值，”他指出，“但是，随着电容内电荷的增加，电压差将会下降——增大上升时间——电容电压将会升高，缩短放电时间。”

　　Curtis指出，开关频率取决于“采用两个比较器和一个SR触发器的张弛振荡器，555-timer-style系统”，因此，电感器的元件值决定该频率的大小。

　　然后，Curtis采用类似的逻辑实现了一种开关式的升压电路，用于将电容的输出电压转换为一个合理的恒定负载电压。最终，Curtis实现了一种降压/升压充-放电的组合电路，其中采用一个开关MOSFET取代了充电电路中的回扫二极管(如图6b所示)，采用一个PIC微控制器实现控制功能以及大部分必需的外设功能。

　　Microchip与以业余无线电卫星研发为目标的非营利性私有机构AMSAT-NA开展了项目合作。AMSAT的下一个大型项目——Eagle卫星，计划于2009年3月发射。为了确保Eagle能够连续工作几十年，其电源系统将在这项工作的基础上，将太阳能电池板、锂离子电池和超电容集成到一套电源系统中，实现每种元件的优化使用。