超级电容十篇

超级电容篇1

这些报道所指向的，是同一项新能源技术：超级电容。随着移动电子设备越来越多，普通民众对于这样的技术也越来越关注了。

原理很难懂，但还是要说

电子电路中有三种基本构成，电容就是其中之一。将两个可以带电的导体极板中间用一层不导电的绝缘体隔开，我们就得到了一个最简单的电容。

电容是可以充放电的。当电容的两个极板分别接到一个直流电源的两极时，电路中的电子就会发生流动，两个极板会带上相反的电荷，这些电荷导致两个极板之间出现一个电势差，其方向和外加电势相反。随着电荷的积累，电容的两个极板之间的电势差越来越高，最终和外加电势相等，此时电荷就不再发生定向流动，电容充电完成。

如果把已经充上电的外加电源去掉，由于电容的两个极板之间被绝缘体分隔，两个极板上的电荷也就不会互相中和，而是会保留在电极上，同时也就使得上述的反向电势差被保留下来。这时用一个导电回路把电容的两个极板重新连接，电荷就会从电容的正极通过外电路流向电容的负极，发生放电现象。电容的所有功能，都建立在这种充放电过程的基础上。利用这种过程，电容可以改变电路的输入或者输出特性，也可以用于储能。

很不幸的是，电容器作为储能装置由于其本身的特性，有个致命的缺点……

在整个充放电过程中，电容的极板上的电荷和电势差是成比例的，这个比例系数我们称为电容的电容量c，其国际单位为法拉，记为F。一个电容量为一法拉的电容，极板上带电一库仑的时候，两极板之间的电势差也恰好为一伏特。通过简单的微积分计算可以知道，如果充电完成的时候电容两极的电势差（也叫电压）为U，那么电容器中储存的电能E就等于U的平方乘以C除以2。因此，电压越高，电容器中储存的能量越大。

这个电压并不能一直上升，而是有一个极限。我们把这个极限称为击穿电压，其大小由两个极板之间的绝缘体的性质决定。一旦电容器两极板之间的电压超过了击穿电压，绝缘体也会导电，电流将会直接通过它从正极流向负极。这时，一般的电容往往会发生剧烈的放电现象，发热、发光、出现电火花。秋天穿毛衣的人想必会对脱毛衣时那些噼噼啪啪的声响和小小的电火花有着深刻的记忆一尤其是被它们打到身上带来的那一阵痛感。雷雨天的闪电事实上也是一种电容的击穿放电现象，闪电的两端就是一个巨大电容的两极。

作为一种储能装置的电容，其储能能力是由其电容量和击穿电压决定的。击穿电压越高，电容量越大，电容的储能能力也就越强。当然，同样结构的电容越大，电容量也就越大。要衡量一种电容器的储能能力，我们需要用其单位体积的储能量来衡量。单位体积的电容器所能储存的最大电能，我们称之为这种电容的储能密度。它等于电容器的电容除以电容器的体积，再乘以击穿电压的平方。

我们在电子电路中常见的电容器，其电容值都很小，最常用的单位是微法（μF），也就是0.000001法拉。其体积一般在零点几个立方厘米。大型电容的外壳等部分所占的比例小，储能密度会略有提升，但显然，这种电容的储能密度是很可悲的。要靠这样性能的电容来取代电池作为储能装置，我们用的手机非得带上一个书包大小的电容匣子不可……想象一下背上背着一个电容包用手机的生活？因此，尽管人类历史上自第一个人造电容就是用于储存电能的莱顿瓶，但是在电气时代里，人们对于电容的储能功能并不太重视，也很少用到——要储存电能，小的有电池，大的有储能电站、飞轮，储能电容器根本无用武之地。

历史不长，但越来越重要

1972年，专门研究未来学的罗马俱乐部发出了他们的第一份报告，即在全球引起轩然大波的《增长的极限》。该报告指出，人类工业社会所使用的化石能源是有限的，在未来将会枯竭。同时，过度使用化石能源还会带来温室效应，威胁人类的生存。随后1 973年石油危机的爆发进一步加重了人们对于能源问题的担忧。

除了开发利用新的天然能源外，提高能源利用率的储能装置和电池也成为了重要的研究方向。随着电池的应用日渐增多，电池在性能上的天然不足也越来越明显。在这样的情况下，自1983年日本NEC公司推出第一款超级电容商品之后，超级电容作为一种新的储能装置，再次出现在人们的视野中。

其实，超级电容的模型早在1957年就出现了。所利用的原理更是早在1853年就已经出现最早的理论模型：溶液双电层现象。从原理上说，超级电容其实应该叫做双电层电容。

在电解质溶液中，如果在电极表面施加一个没有超过电解质分解电压的电势，那么电解质中的正离子和负离子会由于外加电势的影响出现重新排布，形成一个反向电势分布来平衡外加电势。这种重新排布的程度和电势分布成指数关系，很小的电势变化就能引起空间电荷密度很大的变动。由于这种电荷密度变化对电势变化的敏感性，上述平衡只需要很短的距离——几个到几十个纳米就能完成。这意味着电能几乎是“贴在”超级电容的电极表面，也就是说超级电容的电容介质厚度可以非常薄。通过特殊的制造技术，单位体积内超级电容的电极表面积可以非常大，电容量也就相应很高——可以比传统电容器高出六七个数量级。尽管电解质的分解电压通常远远低于传统电容中绝缘介质的击穿电压，最后超级电容总的储能密度较传统电容器仍然也可以高出三到四个数量级。

做一个形象比喻的话，传统电容储存电能的方式就像是用一个气球装气体，超级电容则就像是用一团内部布满了沟回和皱褶的“活性炭”，把气体吸附在表面上。气球内部的压力比活性炭内部高得多，但是活性炭在单位体积内却可以吸附更多的气体。

超级电容篇2

关键词：超级电容器；单片机；PWM；MOSFET

一、工作原理

由于超级电容端的额定电压为17 V，电池端的额定电压为

36 V，故双向DC/DC的升压端接入电池端，降压端接入超级电容

端。当电动自行车处于启动、加速、上坡、逆风或载重行驶状态时，电池会在几秒钟内向电动机负载提供很大的电流，这时可通过速

度检测电路检测到电机加速运行，从而控制单片机产生升压端

PWM电压信号波形，通过驱动电路驱动升压端的MOSFET开关，

使超级电容存储的电能通过升压DC/DC转换到电池端，使超级电容起到辅助供电的作用。同理，当电动自行车处于减速或制动刹车状态时，负载电动机会产生较大的再生制动能量回馈给直流电源，这时可通过速度检测电路检测到电机减速运行，从而控制单片机产生降压端PWM信号波形，通过驱动电路驱动降压端的MOSFET开关，使电动机产生的再生制动能量通过降压DC/DC转换到超级电容端，使超级电容储存再生制动能量。超级电容储存的能量，可在平时电池电量不足时作备用电源用。

二、硬件部分

当调节调速装置使电动自行车加速运行时，单片机检测到加

速信号，输出升压PWM方波，控制双向DC/C变换器工作在升压模式，将超级电容器中储存的电能释放出来通过升压转向蓄电池方向，达到辅助电源供电的目的。同理，当调节调速装置使电机减速运行或制动时，单片机检测到减速信号，输出降压PWM方波，控制双向DC/DC变换器工作在降压模式，将再生制动能量通过降压储存至超级电容，达到再生制动能量回收的目的。同时，超级电容两端的电压值还可通过数码管输出显示出来。

系统采用HT46R23型号的单片机控制，其中PWM0和PWM1引用于产生控制升压端和降压端MOSFET开关的信号波形。当检测到电动自行车加速时，PWM1产生波形控制MOSFET1开关，使能量向升压断流动，起到辅助电源供电的作用。当检测到电动自行车减速或制动时，PWM0产生波形控制MOSFET0开关，使能量向降压端流动，使产生的多余的再生制动能量存储到超级电容中。

另外，作为附加功能还可加入数码管显示超级电容端的充电

电压值，以防止对其过电压充电。数码管显示超级电容两端电压电路与速度信号检测和刹车信号检测电路。由于HOLTEK单片机的I/O口输出电流较强，故数码管各段引脚可通过小电阻直接接

入单片机，而不需再外接三极管放大电路，即可驱动数码管显示。

三、软件部分

软件由数据采集、数据显示、双通道PWM输出等模块组成，程序主要实现调速信号采集数码管显示输出和升降压双通道PWM输出两种基本功能。

其中降压端即超级电容端的电压信号是从HOLTEK单片机的A/D转换引脚输入的，通过A/D转换功能转换为数字信号，通

过数学公式计算出输入的电压值，最后将电压值通过查数模表转

换为数码管七段输入信号。

四、未来开发方向

电动自行车的质量直接影响到电动自行车的寿命和行驶的里程，所以说衡量一个品牌自行车好坏的问题最终会落到电池的问题上来。本作品使用超级电容来回收启动、加速和制动等阶段产生的较大能量，从而提高了效率。当然，由于制作时间有限，在本设计中还有不少需要改进的地方，但是本设计无疑是未来电动自行车发展的一个趋势。

参考文献：

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［2］王嘉善，王海杰．超级电容器电动车：城市公共交通现代化新模式［J］．城市车辆，2002．

［3］钟海云，李荐，戴艳阳，等．新型能源器件：超级电容器研究发展最新动态［J］．电源技术，2001．

［4］王国庆，林忠富，左伟忠，等．超大容量双电层电容器主要技术参数的测试［J］.子元件与材料，2000．

超级电容篇3

一、问题的提出

蓄电池是汽车中的关键电器部件，其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V（见图1）；启动瞬时的电流达550A，约为蓄电池12C的放电率（见图2）。尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电，但在图1中可以看出，10倍以上高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。另外，启动过程的电压剧烈变化会产生极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新加电。

因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是从表面上从改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能都是必要的。

二、改进启动性能的方法

加大蓄电池的容量可以解决上述问题，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联，可以很好地解决这个问题。

1.超级电容器的原理及特点

超级电容器是电容量可达数千法拉的电容器。根据电容器的原理，电容量取决于电极间的距离和电极表面积。为了增大电容量，超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加电极表面积，为此采用了双电层原理和活性炭多孔化电极（见图3）。双电层介质在电容器两电极施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极（见图4）。很明显，两电极的距离非常小，仅几纳米，同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2/g。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。

就储能而言，超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下）。如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解为非正常状态。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可见，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此其性能稳定，与利用化学反应的蓄电池不同。

尽管超级电容器的能量密度仅是蓄电池的5%或更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说，超级电容器具有以下几点优势。

■电容量大。一般双电层电容器容量很容易超过1F，超级电容器可使普通电容器的容量范围骤升3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

■充放电寿命很长，可达500,000次，或90,000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次；可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短；可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能。

■可以在很宽的温度范围内正常工作（-40℃至+70℃），而蓄电池很难在高温、特别是低温环境下工作；超级电容器用的材料是安全和无毒的，而铅蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性；超级电容器可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后还可以串联使用。

2.超级电容器与蓄电池组合改善汽车启动性能

电性能的改善。将超级电容器与蓄电池并联，启动过程的电压波形（见图5）、电流波形（见图6）与图1、图2相比，启动瞬间的电压跌落由仅采用蓄电池时的3.2V提升到7.2V；启动电流从560A提高到1200A；启动瞬时的电源输出功率从2kw提高到8.7kw；启动过程的平稳电压由7V提高到9.4V；启动过程的平稳电流由280A提高到440A；启动过程的电源平稳输出功率从2.44kw提高到4.12kw。

启动性能的改善。超级电容器与蓄电池并联应用可以提高汽车的启动性能。将超级电容器（450F/16.2V）与12V、45Ah的蓄电池并联，启动安装1.9升柴油机的汽车，在10℃时平稳启动。尽管在这种情况下不连接超级电容器蓄电池也可以启动，但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的转速和性能都提高很多。由于电源输出功率的提高，启动转速由仅用蓄电池时的300rpm增加到450rpm。尤其在低温下提高汽车的启动性能，超级电容器的作用是非常大的。在-20℃时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时仅需一次点火。

超级电容篇4

【关键词】超级电容器;母线电压;直流系统;分合闸

1.引言

电力工程直流系统是变电站的控制、保护、信号和通信装置的操作电源，同时还可以作为独立的事故照明电源。它直接关系着电力系统的安全可靠运行，对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏尤为重要。故提升直流系统运行的安全性和可靠性是电力系统一个至关重要的问题。目前绝大多数直流屏均采用蓄电池作为储能元件，蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件，一要满足合闸等冲击性负荷所需最大放电电流要求;二要满足对经常性负荷持续供电的时间要求。由于蓄电池功率密度低，大电流输出能力差，为了提高直流屏的操作可靠性，不得已采用大容量的功率型蓄电池组，蓄电池组不仅价格昂贵，使用寿命短，还必须按规定定期维护，蓄电池组不经常承担合闸任务，长时间处于浮充电备用状态，维护不及时，会出现诸多问题。在关键时刻，就可能造成分闸操作失败，酿成事故，2013年贵州4.29事故等国内多起电网事故说明基于蓄电池的直流系统可靠性问题。为了保障电力系统安全可靠经济运行，提高直流系统的安全性、可靠性和延长其使用寿命是必要的。

超级电容器作为一种新型电力储能技术，由于其动态响应速度快，储、释能效率高，能够实现快速充放电，瞬间大电流输出能力强。与蓄电池相比，在功率密度、充电时间、使用寿命以及环境温度等方面具有很大的优势，这些优点正是变电站直流电源系统需要的，不仅提高了操作可靠性，而且使用寿命长降低的成本，因此，用超级电容器储能并联在蓄电池的两端作为变电站分合闸操作的电源，是一个新的正确的解决方案。但如果仅采用超级电容器作直流电源系统的储能单元，虽满足分合闸操作要求，但一些110kV等重要的变电站在电网停电后需要2～4小时的直流供给，超级电容器的能量密度比较低，无法保证长时问的持续供电。为了解决这一问题，采用超级电容器一蓄电池混合储能直流电源方案是比较好的选择。

综上所述，本文针对现有直流系统存在的问题，结合超级电容器与蓄电池的各自特点，提出了一种基于超级电容器的直流系统混合储能设计方案，该方案结合了超级电容器和蓄电池组的优势，具有可靠性高、脉冲输出功率大、寿命长、免维护和节能环保的特点，将具有重要意义。

2.超级电容器的原理及特性

2.1 超级电容器的基本原理

超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在（如图1所示）。

图1 超级电容器原理图

图2 直流系统混合储能电路原理图

2.2 超级电容器的主要技术性能

（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上;

（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”;

（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%;

（4）功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍;

（5）产品原材料构成、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源;

（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护;

（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～ +70℃;

（8）检测方便，剩余电量可直接读出。

3.超级电容器应用于直流系统的原理及特性

3.1 直流系统混合储能的工作原理

直流系统混合储能电路原理图如图2所示。E是蓄电池组;C是超级电容器组;L1是对蓄电池组输出电流进行滤波的电感;R1是冲击电流的限流电阻;R2是超级电容器充电限流电阻;VD的作用是为超级电容器放电提供通路，避开R1的限流作用（如图2所示）。

当蓄电池不能正常输出稳定电压时，且有负载冲击作用，内阻小的超级电容C-Rload-VD-C，给负载提供功率需求;使负载电流保持稳定。超级电容器在吸收或释放能量的同时，其端电压会相应的升降，而且电压变化范围比较大，然而，超级电容器单独储能作为小功耗直流设备备用电源时，用电设备对直流电压质量都有一定的要求，电压骤升、电压骤降等均影响设备的正常运行，这就要求超级电容器直流储能系统在释放能量或吸收回馈能量的同时，还要有稳定输出直流电压的能力。

3.2 超级电容器在直流系统中的接线（如图3所示）

图3 电容器在变电站直流系统中的电路原理图

图4 超级电容器充电时间测试

3.3 超级电容器电容的选择

根据充电机运行参数要求，充电机输出过压允许值为+20%UN，对于DC110V系统图，即为132V。由于超级电容器正常运行时和充电机同挂于母线，故可将充电机输出过压值允许值设置为超级电容器组极限高电压。因直流母线电压要求为±10%，超级电容器正常运行下时挂于母线，常处于浮充状态，且考虑其他补偿因素，故设定模组充电电压122V。考虑超级电容器组的安全、寿命及散热等因素故对其充电电流进行限制，充电限流为1A。

当充电机及蓄电池不能正常工作时，要求电容器输出功率至少可保证保护装置动作时间，对于任何一种继电保护，其动作时间都能在数秒钟内完成，因为留有了充足的跳合闸的能量，所以说它非常可靠。关于电容储能的计算：假设放电前电压U1、放电后U2，则按公式电能W=0.5CU*U，假设此时动作电流为20A，故设定正常电压从122V以20A放电10S钟时间，电压跌落不低于100V，需要的能量W=110*20*10=22000=W1-W2=0.5C（U1*U1-U2*U2），计算出的电容器需要的电荷量：则C=22000/0.5/（122*122-100*100）=10F，要求电容大于10F。综上，确定超级电容器组性能指标如下：

（1）模组极限高电压：135V;

（2）模组充电电压：122V;

（3）模组的额定充电电流，充电限流1A;

（4）放电特性：正常电压从122V以20A放电10S钟时间，电压跌落不低于100V;

（5）电荷量：电容大于10F。

本项目是将性能接近的56只超级电容器串联成一个模组，三个模组并联而成，装在一个1.2M高的19蓟柜内组成超级电容模组。同设计的电压均衡电路相连后封装组成超级电容模块，使电容模块内各单体电容电压控制在额定值，避免过压对电容的损坏，提高超级电容的储能。

4.超级电容器应用的有关实验数据

以绿索超容公司的电容器为例，将超级电容器的进一步研究试验数据为例，说明超级电容在变电站中的适用性。

4.1 超级电容器充电时间测试

每个模组内部已限制了1A的充电电流。当3个模组并联时，充电电流限制在3A。充电电压不能超过模组上限电压135V。不同的充电电源对充电速度有影响，但不管什么电源，电容由零伏充至额定电压的时间与充电电流直接相关。以后，长期浮充电流在0mA-10mA变化（如图4所示）。

图5 超级电容器自放电测试

图6 超级电容器带经常性负载的带电测试

4.2 超级电容自放电测试

将超级电容充至135V后，与负载完全脱离，隔日同一时间测量电容端电压记录如表5所示。端电压下降速度与是否经过浮充有关，束经浮充开始几个小时达2V/h-3V/h。既每小时下降2V-3V，经过浮充半小时以后，自放电速度明显变缓。在正常运用时，超级电容处在长期浮充状态，完全断开负载后可维持有效电压达3天（如图5所示）。

4.3 带经常性负载的放电试验

模拟当电网失电后，由电容放电来维持直流母线电压的试验。根据电力工程电气设计手册中关于直流系统控制母线电压允许波动范围为85%-110%的额定电压，当额定电压为110V时，电压波动范围为93.5V-121V。表6是母线电压121V，电容放电至93.5V时，不同负载的维持时间的实测值（如图6所示） 。

本文立足于超级电容器直流储能单元的研究与应用，建立了超级电容器与蓄电池直接并联储能方案，分析了该方案的性能改善及其影响因素。基于超级电容器应用的直流系统，与传统蓄电池相比较，有很多优点：

（1）在现有直流电源系统中，在供电系统全停电情况下，蓄电池放电至下限时，无法提供分、合闸的能量，而在本设计中，超级电容器仅用做分合闸操作，确保了操作的高度可靠性。

（2）超级电容器和蓄电池组分别采用两种不同的充电方式，优化了各自的充电过程。超级电容器不存在过充和过放电的的问题，只要充电电压不超过其最高电压即可，无需复杂的限压限流滤波等措施，超级电容器直流电源简化了充电装置，减小了故障率，降低了成本。

5.结论

对超级电容器应用于直流电源，通过一系列的试验，验证了超级电容器应用于直流电源系统的可行性，对于实际现场工作具有一定的理论意义和实用价值。

参考文献

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超级电容篇5

【关键词】风力发电；仿真；超级电容器

前言

风轮机是风力发电系统中把风能转化为机械能的装置，功率调节是风轮机的关键技术之一。发电机是风力发电系统中能量转换的核心部分。风力发电机系统按发电机运行方式主要分为恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。

本文主要研究利用超级电容储能系统平抑由于风力的分散性和不确定性引起的功率波动。

图1 永磁直驱式风力发电系统示意图

1 风力发电系统的研究

风力发电系统包括风力发电机及与其配套的功率变换器。由于风力的不确定性和分散性，发出的电能是时刻波动的，不能直接并入电网。风力机发出的电能经过一系列变换之后才能并网。本文的采用的方案是先将风力机发出的电能经过整流器变为直流之后，在直流环节并联一个超级电容储能系统。其作用是当风力比较大、风力机端电压比较高时吸收电能，将多余的电能储存起来。当风力比较小时，它能放电，弥补机端电压过低。然后再经过一个逆变器将直流电转变为交流电，并入电网。

1.1 永磁同步电机

根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下永磁同步发电机的电压方程为：

=- - + （2-1）

=- - - - （2-2）

其中，和分别是定子电压和电流在 轴上的分量， 、 为定子的轴电感，在面装式永磁同步发电机 = ， 为转子角速度，为定子电阻。

转矩方程为

=p （2-3）

其中，p为转子极对数。

1.2 超级电容

超级电容作为储能元件，具有电容量大、功率密度大、充放电效率高、循环寿命长等特点：

从阻抗角度分析，等效电路为一般的RC电路。超级电容器的等效模型如图2所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分，它是与工作频率有关的分量。

2 仿真研究

2.1 仿真模型介绍

图2 系统仿真接线图

图2中风电机组通过全功率AC-DC-AC变换器与电网连接，其中电机侧变换器的作用是将风电机组输出电压整流，并实现发电机输出功率对风力机输入转矩的跟踪；电网侧变换器一方面要保持直流母线电压恒定，另一方面要维持变流器输出电流与电网电压同频同相。超级电容储能装置通过双向buck/boost变换器与全功率AC-DC-AC变换器的直流母线连接，通过对开关管S1和S2的控制，实现功率调节功能。为得出超级电容储能系统平滑输出功率波动的效果，单一变量为是否加入超级电容储能系统。

仿真条件：

（1）风速变化的设定： 0-1s时段，设定风速保持10m/s不变；在1s时，风速开始增加，到2s时风速达10.6m/s；随后风速开始下降，到3s时，下降到9.7m/s；然后，风速又开始回升，到3.5s时，恢复到初始风速10m/s，随后保持不变。

（2）风电机组额定输出功率为1MW。风速达到17 m/s时，风电机组输出功率达到额定值。直流母线电压为1000V。

2.2 风电系统输出功率波动分析

2.2.1 不加入超级电容储能系统

图3 风力发电机组输出功率变化曲线

图4 系统输入至电网的功率

在不加入超级电容储能系统的情况下，系统输至电网的有功功率即为风电机组输出的功率。

图3所示为风电机组输出功率随风速变化的曲线，图4为网侧变换器输至电网的功率变化曲线，可见系统输至电网的功率几乎等于风电机组发出的功率。风速为10m/s时，风电机组输出功率为200kW，风速增加到最大值10.6m/s时，输出功率达到240 kW，风速下降到最小值9.7时，输出功率为184 kW。

从波形图可知，当超级电容器不工作时，由于风速变化引起的风电机组输出功率和输出电流的变化会直接反应在输出到电网中的电流和功率，对电网造成较大的冲击，进而影响到电网的安全稳定运行。

2.2.2 加入超级电容储能系统

图5 注入超级电容器的功率

图6 注入电网的功率

在加入超级电容储能系统的情况下，风电机组输出的功率为超级电容器吸收的有功功率加上系统输至电网的有功功率。

Pge=Pgrid+Pc

图5所示为注入超级电容器的功率变化曲线。从图中可看出，超级电容器起到了抑制风电机组输入到电网中的功率发生较大波动的作用。

图6显示注入到电网中的有功功率变化明显较风电机组机端输出功率平滑。

3 结论

通过matlab/simulink平台上搭建配置超级电容储能方案的直驱永磁风电系统的仿真分析可知，在超级电容储能系统的作用下，虽然风力发电机组机端电流和功率发生了较大的波动，但输出到电网的电流和功率却趋于平稳。验证了超级电容器在风力发电系统中抑制功率突变的作用。

参考文献：

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[3]蒋大鹏.分布式发电系统中并网逆变器的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[4]许海平.人功率双向DC―DC变换器拓扑结构及其分析理论研究，中国科学院博十学位论文，2005.

超级电容篇6

Abstract： From graphene has been found in 2004 year， it has been focused on many researchers. In this paper， the research progress of polyaniline/graphene and manganese dioxide/graphene composites is reviewed for supercapacitor. The application and development of graphene composites as supercapacitor.

关键词： 石墨烯；聚苯胺；二氧化锰；超级电容器

Key words： graphene；polyaniline；manganese dioxide；supercapacitor

中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0027-02

碳元素广泛存在于自然界，除了最为人们所熟知的石墨和金刚石外，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管扩大了碳材料的家族。也使人们对碳元素的多样性有了更深刻的认识。同时，富勒烯和碳纳米管所引发的纳米科技对人类社的发展在未来有着极其重大的意义。作为碳材料中最新的一员—石墨烯是拥有sp2杂化轨道的二维碳原子晶体，由英国曼彻斯特大学的Geim等[1]于2004年发现，并能稳定存在，这是目前世界上最薄的材料—单原子厚度的材料。石墨烯不仅有优异的电学性能（室温下电子迁移率可达200000 cm2V-1s-1）[2]，质量轻，导热性好（5000 Wm-1K-1）[3]，比表面积大（2630 m2g-1）[4]，它的杨氏模量（1100 GPa）和断裂强度（125GPa）[5]也可与碳纳米管相媲美，而且还具有一些独特的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应[6]等。由于以上独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料[7]、储能材料[4]、液晶材料[8]、机械谐振器[9]等。石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。在石墨烯诸多性质中，其中比表面积高和导电性好，最重要的是石墨烯本身的电容为21μF/cm2，达到了所有碳基双电层电容器的上限，这比其他碳材料都要高，是制造超级电容器的理想材料。

超级电容器（Supercapacitors），也叫电化学电容器（Electrochemical capacitors）是一种能量密度和功率密度介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，超级电容器兼具蓄电池和传统电容器的优点，如能量密度高、功率密度高、可快速充放电、循环寿命长、具有瞬时大电流放电及对环境无污染等特性，是近十年来发展起来的新型储能、节能设备。

由于石墨烯是理想的超级电容器填充材料，所以将其与其他材料复合来制备超级电容器材料备受大家关注。复合材料主要有两类，第一种是石墨烯与高分子导电材料复合，其中研究最多的是石墨烯与聚苯胺复合材料。第二种是石墨烯与金属氧化物复合，其中研究最多的是石墨烯与二氧化锰复合材料。本文主要就这两种复合材料的研究做一简单综述。

石墨烯与聚苯胺复合材料在超级电容器材料方面应用，除了前面提到的石墨烯的特殊性能外，还有就是聚苯胺具有高电导率、易于合成、单体成本低等优点。Zhao等[10]在酸性条件下利用原位聚合法制备了聚苯胺/石墨烯复合材料，发现聚苯胺均匀吸附在石墨烯的表面，或者均匀分散于石墨烯片层之间，在电流密度为0.1A/g时，比电容高达480F/g，并且具有良好的循环性。Li等[11]在石墨烯片上进行原位阳极电聚合生成聚苯胺，得到的复合材料抗张强度达到12.6MPa，有高而稳定的电化学电容（重量比容为233F/g，体积比容为135F/cm3），超过其他许多现在可用的碳基柔性电极，因此在柔性超级电容器方面有很大前景。Shi等[12]首先将化学改性的石墨烯与聚苯胺纤维配成稳定混合液，然后通过真空过滤得到石墨烯/聚苯胺纤维薄膜复合材料，在这些薄膜中聚苯胺纤维均匀分散在石墨烯夹层之间，复合材料有稳定的机械性能和高的柔韧性，能够弯曲很大的角度得到想要的形状，当改性石墨烯的含量为44%时电容最大，为210F/g。Yan等[13]报道了通过一种简单快速的溶液混合，原位聚合的方法获得了聚苯胺与石墨烯的复合纸，这种复合材料有很好的电学性质，值得一提的是这个复合纸在生物领域有着潜在的应用价值。Wei等[14]将官能化的石墨烯和聚苯胺纳米颗粒复合得到1046F/g的电容，这几乎是纯聚苯胺材料的2倍。

第二种是石墨烯与金属氧化物复合，其中研究最多的是石墨烯与二氧化锰的复合材料。Wei等[15]将高锰酸钾与石墨烯混合，利用微波辐射的方法将高锰酸钾还原成二氧化锰，还原成的二氧化锰沉积在石墨烯表面，这样的复合材料做阳极，活性炭做阴极得到电容为114F/g，循环次数可达到1000次得超级电容器。Yang等[16]通过自组装的方法得到多层聚二烯丙基二甲基氯化铵改性的墨烯石和二氧化锰的复合材料具有较高的电容和较高的循环次数。

综上所述，随着社会不断地进步，资源不断地消耗，经济不断地发展，石墨烯复合材料必将在未来的电子领域发挥极其重要的作用。

参考文献：

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[13]Yan X， Chen J， Yang J， Xue Q， Miele P. Fabrication of Free-Standing， Electrochemically Active， and Biocompatible Graphene Oxide-Polyaniline and Graphene-Polyaniline Hybrid Papers. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2010， 2， 2521.

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超级电容篇7

关键词： 电动汽车； 超级电容； STM32103VE； 永磁同步电机； 能量回收

中图分类号： TN91?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0142?03

Simulation of electric car and design of energy recovery system with super?capacitor

YAN Wen?long， FU Cheng?wei

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Considering the serious pollution to the environment and energy shortage caused by fuel cars， and electric car will become the mainstream of car industry development. A hardware development platform for running simulation of electric car with a super capacitor group for the energy recovery is given， which is dragged by double permanent magnet synchronous motor based onSTM32103VE controller and voltage space vector SVPWM technology. The experimental results show that this system is of simple structure and powerful function， and can simulate the electric car running and realize energy recovery by super capacitor group.

Keywords： electric car； super?capacitor； STM32103VE； permanent magnet synchronous motor； energy recovery

随着世界经济的发展，与有限能源的不断消耗，环境问题与能源问题逐渐成为世界性关注的热点。能源的高效率利用与使用过程中的能源的回收已经成为大家所关注的焦点，尤其是在汽车上的应用。所以未来汽车的发展方向注定是低碳、环保的电动汽车。因此，本文将介绍一种模拟电动汽车运行的效率监控与超级电容能源回收系统，以此来研究电动汽车的电能利用效率与超级电容能量回收的情况，进而使电动汽车更高效、环保的运行，运行中多余能量更完全的被回收并且再利用。

1 系统的主要功能和总体结构设计

本文设计的电动汽车运行模拟以及超级电容组能量回收系统结构如图1所示。系统通信总线采用的是CAN通信方式，CAN通信方式作为多线路网络通信系统，可在通信总线上挂多条支线，并且自动完成总线仲裁和检错。系统还包括电源供电、总控制台监控、主动永磁同步电机及电机控制器、测功机监测、从动永磁同步电机发电及负载端的电子负载和超级电容组能量回收部分。组建系统的主要目的是模拟电动汽车在运行中的各种情况，主动永磁同步电机模拟电动汽车部分，从动永磁同步电机及后面的部分则模拟电动汽车在运行中的负载，通过改变负载端的参数，进而改变主动永磁同步电机运行时所加的负载。在系统运行中，总控制台可以同时监控输入端的输入功率、驱动端的主动永磁同步电机的功率和电能转化成主动永磁同步电机运行机械能的效率，负载端的输出功率、电子负载消耗的功率、超级电容组能量回收功率、对永磁同步电机运行的机械能进行回收的效率，还有回收的能量通过变压电路储存到超级电容内的效率。

2 系统方案设计

本系统意在模拟电动汽车运行、监控能量走向及转换效率，进而提高电动汽车的能源利用率。所以在用永磁同步电机模拟电动汽车的运行，而在另一端同样放置一个永磁同步电机作为发电机用，并且可以通过改变其发电输出端的负载来改变模拟电动汽车运行的电机上的负载，进而模拟不同工况。在这些基础之上，采用超级电容组将原电动汽车运行中浪费的以及未能回收的能量进行有效地回收。这样既增加了电动汽车的行驶距离，也对人们生存的环境减小了压力，更加的低碳、环保。

图1 系统结构图

系统共分为四部分：

（1） 用主动永磁同步电机模拟的电动汽车运行部分。此部分包含电机驱动与控制部分和数据回采部分，可以模拟整车的启动、运行与制动。此部分的主芯片采用的是意法半导体生产的STM32103VE，时钟最高频率为72 MHz，IGBT控制模块采用的是CONCEPT公司生产的2SD315AI模块，IGBT模块采用的是英飞凌生产的BSN75GB170DN2模块，永磁同步电机采用的是交流伺服电机130ST?M15025，额定转矩为15 N・m，额定转速为2 500 r/min。通过这一部分可以测试整车在不同工况下的电机运行情况以及电机运行的效率；

（2） 主动永磁同步电机的扭矩与转速的测量部分。此部分采用的是JN338型智能数字式转矩转速测量仪。通过这一部分的测量可以直观地观测电机当前的运行情况，更有助于第一部分的监控与计算；

（3） 从动永磁同步电机发电和负载切换部分。此部分包含从动永磁同步电机，电机型号与第一部分的永磁同步电机相同，还包括三相整流桥和输出切换部分。主动永磁同步电机在运行的情况下，拖动从动永磁同步电机，从动永磁同步电机当做发电机使用，电机三相输出端接到整流桥，整流桥的输出端根据不同的要求接到不同的负载上，以改变主动永磁同步电机运行的负载，进而模拟不同的工况；

（4） 包含美尔诺电子有限公司生产的M9711电子负载和锦州凯美公司生产的400 V/20 F的超级电容组能量回收部分。此部分的电子负载各项参数可调，超级电容组的前端带有可控的单向BUCK?BOOST电压转换模块。当主动永磁同步电机模拟整车运行时，不需要进行能量回收，整流桥输出端接在电子负载端，以模拟不同的工况；当需要进行能量回收时，如整车的减速和制动的过程中，整流桥的输出端就接在电压转换模块，为超级电容组充电。通过改变控制电压转换模块控制信号的占空比来改变超级电容的充电电压与电流，即可模拟不同的负载。

3 电动汽车运行模拟的控制机理

总控制台是系统控制和监测的核心，所有的输入信息由总控制台接收，所有的控制逻辑都是由总控制台判断，所有的反馈信息也是返回到总控制台进行检测和显示。总控制台信息的输入、反馈信号的接收以及控制信号的发出如图2所示。

图2 总控制台结构

输入信息包括输入模拟路况情况与电机的启停控制；反馈信息包括电源输入功率、主动电机运行功率、从动电机发电功率、电子负载消耗功率、逆变桥输出电压、超级电容充电功率和故障信号等；控制信号包括为电机控制器设置运行参数，切换整流桥输出端的负载，设置电子负载的参数，调节超级电容组前端电压转换模块的电压等。

本系统主控台的软件控制机理结构如图3所示。

系统上电初期，等待硬件上电完毕，软件程序开始初始化。初始化结束后，程序开始读取当前系统的信息判断系统当前所处的状态，如读取电源电压、主动电机转子位置、超级电容组输入端电压、判断当前状态有无错误、各部分间连接是否异常。当准备工作结束后，总控制台将人工输入当前所要模拟的整车工况，然后程序开始设置下一步的参数。根据输入的模拟工况开始初始化主动电机运行的参数，并且判断系统是否要进行能量回收，如果需要能量回收，则将输出负载端接到超级电容组的一端。如果不需要能量回收，则将输出负载端接到电子负载端，并初步设置电子负载的参数。等待负载端配置完毕，主动电机将按照输入的工况要求分步运行主动电机，与此同时，负载端根据实时信息调节超级电容前端的调压模块和电子负载的配置参数。电机运行的全程，总控制台进行数据的监测与显示以及系统错误提示，操作者可以根据显示的信息判断当前运行的状态。当整车工况模拟完毕后，由操作人决定是否继续模拟下一工况，如果继续，程序则返回人工输入模拟工况阶段，如果结束，程序将退出。

图3 主控台软件控制结构流程

系统中电机控制器的内部控制机理结构如图4所示。

图4 内部控制机理结构图

永磁同步电机的控制采用的是电压空间矢量SVPWM技术，相比于SPWM算法，更高效、精准。由图4可以看出，首先由总控制台给电机控制器发出指令，然后由电机控制器决定采用转速控制模式还是扭矩控制模式。若采用转速控制模式，则扭矩电流[isqref]由转速PI调节后的输出值决定；若采用扭矩模式，则[isqref]由电机控制器的输入值决定。电机控制器的整个控制逻辑采用的是双闭环控制，反馈量包括电机的定子电流[ia]和[ib、]由位置传感器输出的电机机械转角位移与转速[n。]电机的定子电流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]计算出[ic，]通过Clarke变换和Park变换将电流[ia，][ib，][ic]变换成旋转坐标系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]则作为电流环的负反馈量。根据机械转角位移就可以计算出电角度[θe，]电角度[θe]用于参与Park变换和逆变换的计算，转速[n]作为速度环的负反馈量。当选择转速模式时，给定的转速[nref]与转速反馈量[n]的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流[q]轴参考量；当选择扭矩模式时，给定的[isqref]直接作用于电流[q]轴参考量。[isdref]由电机控制器给定，在必要时，此电流可以起到对电机内部弱磁作用。[isqref]和[isdref]与电流反馈量[isd，][isq]的偏差经过电流PI调节器，分别输出[dq]旋转坐标系的相电压[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通过Park逆变换转换成[αβ]直角坐标系的定子相电压矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可确定其所在磁链轨迹的扇区，然后采用电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。

在主动电机运行的整个过程中，总控制台与电机控制器持续地进行信息交互，总控制台实时的显示主动电机当前的运行状态。

4 实验结果

系统的软硬件以及机械结构设计完成后，在实验室的条件下进行了全面的试验和调试。系统由总控制台进行监控，实时显示当前数据。主动电机可模拟电动汽车的运行工况，包括启动工况、正常行驶工况、加速/爬坡行驶工况、制动/下坡行驶工况和刹车工况；转矩转速测量仪实时地监控主动电机的运行情况；从动电机在主动电机的拖动下，将转换的电能加载到负载接口上，负载切换接口有效地根据需求切换输出端负载；电子负载能够按照要求配置相关的参数，并且稳定的工作，超级电容组在前端调压模块的帮组下能够高效快速地回收多余的能量。经过实际测试，系统运行稳定，信息反馈及时准确，执行机构反应迅速，达到了模拟电动汽车运行、监控能量走向及能量转换效率，进而提高电动汽车的能源利用率的目的。

5 结 语

本文设计的模拟电动汽车运行以及超级电容组能量回收系统，采用双永磁同步电机拖动的方式，加入超级电容能量回收部分，通过CAN通信方式发送指令和接收数据，实现了模拟电动汽车运行和超级电容组能量回收的功能。系统的结构简单、功能强大，达到了模拟电动汽车运行以及采用超级电容组进行能量回收的目的，具有较为广阔的应用前景。

参考文献

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超级电容篇8

被其如此看好的超级电容器已经30多年的历史，在小型机械设备上已得到广泛应用，如电脑、照相机和音频设备等。曾经，这种器件以其充放电速度快、循环使用次数超长、环保等优点，被一些业内人士视为电动客车的救命稻草，电池的终结者，希望以其解决纯电动车能量存储和充电技术的问题。多个城市还计划大规模推广装有超级电容的公交车辆、无辫有轨电车。

早在2006年，上海巴士集团就将将首批10辆超级电容公交车投入运行。然而几年下来，“与其花大价钱造基础设施，不如发展其他种类的新能源车。”对超级电容客车发出如此感慨的正是上海市交通委科技信息处的工作人员，主要原因来自经济效益：超级电容客车对供电、配电要求太高，每个车站需新增变电、充电设施，“一条公交线的设备投资就超过2000万元”。抛除投入产出比、成本较高等因素，这类曾被业内不少人士看好的超级电容客车自身在运行中也暴露出各种问题：怕雷雨、怕高温，最要紧的是充一次电甚至跑不出一公里……

相关专家明确指出，这些现象都说明外界对超级电容的特性了解有限，对其真实能力也有误解。一般超级电容器的体积较大，与电池相比其存储电量有限，有数据表明，同等情况下仅相当于锂电池的十分之一到十五分之一。因此，搭载超级电容器的纯电动客车在一次充电之后只能完成很短的一次运行，每跑两三站就得利用乘客上下车的时间进行充电，此类客车的使用范围大大受限。

这是否意味着超级电容在客车领域再无应用前途？是超级电容真的不好用，还是业内对它的使用进行了错误的定位？

8月初，美国超级电容器生产商Maxwell公司的首席技术官Michael A.Everett与中国区总经理陈宁在Maxwell科技中国媒体沟通会上联合接受了我们的采访。作为位居世界前列的超级电容器供应商，他们除了介绍该领域的最新技术进展，更从专业角度为超级电容器的应用“归了位”，即“超级电容和电池互相弥补，不具备竞争关系。一个提供瞬时供电，一个提供持续供电，两者配合很关键”。这种应用引起我们更多的思考，各种技术之间是否一定要非此即彼、互相取代？应用错位也会终结一种好技术。

应用广泛的功率设备

《汽车纵横》：首先请您介绍一下，超级电容器有哪些特性？通常我们将它应用于哪些领域？

Michael A.Everett：Maxwell公司最重要的技术就是超级电容器，它主要是一种储能技术，能够快速地为大家提供能源，它并不像电池那样创造能源，而是通过很多不同的途径收集能源，比如从电池、车的再制动系统、风电厂的风力涡轮机中收集能源。超级电容器有非常广泛的应用，它最重要的性能就是生命周期非常稳定，可以为使用这种超级电容的所有设备提供长期稳定的生命周期。

例如在轨道交通领域，超级电容可回收火车制动等产生的能量，再把储存的能量传输到电网上，在电网峰值时可以用超级电容储存的能量支持其他功用，进一步减少整个轨道交通对能源的需求。

还有，在风电产业也可以使用超级电容器，在其他的电力系统和水电等方面我们也有同样的应用。其实在电力产业，大家一般都使用电池，但是我们超级电容系统的使用寿命更长，不需要任何维护，它是非常可靠的能源储备系统，可以在各种温度下马上释放能量。

陈宁：而且，超级电容可以做到免维护，而电池每三年需要更换一次。超级电容的工作温度的区间很大，能适应非常寒冷的环境。

Michael A.Everett：在不间断电源领域，有时突然停电会对整个系统造成一定的干扰，超级电容系统可以在瞬间提供能量，并且对整个电力系统没有任何干扰。比如很多服务器就使用超级电容设备，在停电时，这些服务器可能把相关信息立刻存到硬盘上，或者其他的一些存储系统上，超级电容相当于一种备用电源系统，瞬时给整个服务器提供电力，这样就不会产生任何损失。

十亿美金的美国货车应用市场

《汽车纵横》：超级电容器目前在汽车领域有哪些具体应用？能否也介绍一下在美国该领域的应用情况？

Michael A.Everett：目前我们专注两个领域，交通运输领域和电网领域。汽车市场是我们公司非常专注的一个重要市场，它能够帮助我们提高整个产品的销售量，同时降低技术的成本。汽车的功率需求和能量需求都可以通过超级电容来进一步满足。比如汽车的制动系统、启停系统，还有未来的主动悬挂系统等。

陈宁：汽车行业对超级电容的要求最高，产量巨大，Maxwell最早在欧洲和美国与汽车行业合作，可以预见的是大概在几年内，这些应用会进入中国的汽车市场。美国在2003年就有很多超级电容混合动力公共交通汽车了，当时在美国南加州有一个公司，给上百辆柴油混合动力客车安装了超级电容设备，这跟中国现在推广新能源汽车的力度相似。从2003年到2007年，这些柴油混合动力车现在还在芝加哥、加州，还有美国的西北地区的道路上运行。至少在美国的路面状况下，我们早期的超级电容产品，最早安装的已经运行近十年，情况基本正常。

美国的货车市场非常发达，货车从东海岸到西海岸需要三天的时间，每天晚上车要停下来，司机要休息，但它停下来时各种设备都要用电，往往导致第二天早上车辆没电了，这是一种状况。第二种状况是天气很冷时，电池电流很小，已经带动不了汽车系统，所以我们在美国推出了非常简单易拆装的启动模块，在第二天车辆启动时一下就打着，减小了车辆启动对电池本身的冲击，增加了电池的寿命。这个应用现在在美国市场有十亿美金的市场份额，开始是Maxwell在美国推动的，已经逐步被主流卡车接受。这在中国不一定会有非常大的市场，但这种应用对中国的其他相关运输车辆很有借鉴作用。

电池“终结者”OR“好伙伴”？

《汽车纵横》：曾有观点认为，在电动车领域，超级电容器完全可以取代电池，国内也推出了一些超级电容大巴等。您对此怎么看？我们应该如何准确定位超级电容器在汽车领域的应用？

Michael A.Everett：超级电容器属于功率设备，而电池属于能量设备，但是有些设备既需要功率的快速响应，也需要能量的持续供应，所以如果能源密度要求较高而电池又不能满足需求时，我们可以将超级电容和电池系统放到一起整合使用。

任何需要能源的应用，需要的都不仅仅是持续稳定的能源，也需要在峰值时的能源，这就进一步展示了电池和超级电容之间可以共同使用的重要前景。所以我们得出一个结论，就是电池和超级电容共同结合使用，这样它们的应用空间是最有利的。

陈宁：超级电容这个器件在很多领域里都有很重要的作用，有些作用是不可替代的。在电动车这个行业，超级电容到底能起到什么作用？如果电动车只是使用电池，电池有几个特性需要弥补：它的使用寿命比较短，一天一次，能充多少次？而且车辆的一起一停对电池本身就是一个冲击，特别是公共汽车，每天的起停次数很多。

所以这个状况实际上对电池的要求就有一个峰谷过程，如果峰和谷的能量需求能由超级电容提供，然后电池持续做长期的电流供应，对电池的峰谷的冲击减少，有利于电池的寿命增加，对其稳定性和安全性也会有一些帮助，而且有超级电容弥补峰谷，对电池数量的要求也相应减少，这些都会在电动车领域逐步变成一种主流应用。但是电池本身还是要解决好自己的瓶颈。

对车辆而言，有轨电车和城市快速公交车停下来时需要马上充电，充完马上开走，之后再停再充，问题是车辆停的时间很短，需要快速充电，什么器件能很快地接收这种能源？就是超级电容。但它的问题是不能带着车辆跑很长时间，除非这站和下站之间就五百米。所以超级电容可以做起停和快充快放的工作，根据站点的长短可能还会需要一些电池做补充。目前这些系统北车和南车都在做，而且有一些应用车辆正在推广。我们也与国内的合作伙伴在这方面沟通非常紧密，包括做一些定制化产品推动和支持这方面的工作。

我们认为电池和超级电容本身是很好的互相弥补的器件，它们两个之间不具备竞争关系，这一点很关键。

《汽车纵横》：从技术的角度来看，超级电容器的瓶颈在哪里？未来有多大提升空间？和电池相比，超级电容具体的优劣势体现在哪儿？

Michael A.Everett：电池的使用寿命为2?6年，周期寿命约为3000次，而超级电容器的使用寿命为8?15年，其周期寿命超过1，000，000次，与电池相比较，超级电容器使用寿命更长，不需要任何维护，但是，超级电容的能量密度比电池低得多，优势是整个功率密度很高，电池希望在能量密度和功率密度上都能够做得更好，但是这并不是电池的优势，所以也无法这样做。未来电池应在能量密度上做得更好，超级电容应在功率密度上做得更好，使用时限更长，这样两者能更加完善地融合使用。如果电池要在整个功率密度上做得很强，需要研发新的技术，这样就会像超级电容一样来降低成本应对市场的需求，我觉得这不是特别可行。比如现在的风力发电的产业，使用电池就不是正确的选择，因为电池不能满足它的需求。

其实我们也有一些计划以进一步提高整个超级电容产品的能量密度，将其现有的能量密度提高3?4倍，这样整个超级电容的性能会进一步提升。我们再次强调，在未来，其实电池技术和超级电容技术是更好的合作伙伴，相互补充，而不是超级电容在未来会替代任何一种电池。超级电容和电池，或者说能量密度进一步完善的电池产业，和功率密度更加完善的超级电容产业，应该携手并进共同发展，而不是一个来取代另外一个。

《汽车纵横》：现在各企业在对电动汽车的能量储存和补充做各种探索，刚才您也提到了，最好的应用就是电池加电容，但问题是按照现在的电池发展水平，一辆大巴车上仅电池就要占去大量的重量和体积，而电容的体积和重量也不小，客车是需要多载人以提高经济效益的，这个矛盾现您认为该如何解决？

陈宁：超级电容现在的标准是单体2.7V，要减少体积可以把单体的电压数提高，在一个标定电压的系统下减少使用量，自然减少体积。电池如此，电容也如此，但是这个方案越往后做越难，边际的难度越来越高，因为单体电容一般做到4V已经很困难了，差不多已经到极限了。

另外，电动车电池的性能会随着使用年限的增加而变得越来越差，所以一般车辆在开始设计电池使用量时，主要取决于最后车辆打算用到第几年。所以在开始几年，车辆必须装很多电池，为的是让最后一年还有足够的电。实际上那是浪费。但是在这个过程中，如果使用超级电容，就可以做一个合理的解决方案，即早期车辆无需装那么多电池，峰谷的事儿由超级电容承担，电池的寿命也会更长。这个事情就是看你从哪个角度看，其实不同的方法可以达到同一个目的。

2.85V的力量

《汽车纵横》：作为在这一领域位居世界前列的生产商，贵公司最近在超级电容器技术上有哪些新进展？

Michael A.Everett：公司最新推出了2.85V/3400F超级电容器单体，进一步刷新了行业的最新标准，同时扩展了业界标准60毫米圆柱形‘K2’系列超级电容器的功率和储能范围。可以应用到混合动力客车上，具有独特的抗冲击和抗震荡的能力。在过去，我们的产品是2.7V。新产品使用了DuraBlue?技术，工艺非常环保，正在申请专利。

陈宁：Maxwell最新的单体技术――DuraBlue?将振动和冲击的等级提高，这个技术的推出又把整个市场的标准提高了一个阶段。‘表14’和‘表12’分别是卡车车厢的振动标准和卡车底盘的振动标准，在现有市场仅有个别厂商能达到‘表14’振动标准，而Maxwell已经可以达到‘表12’的振动标准。最新的技术成果DuraBlue?解决了防冲击、抗振动、防过充等技术特性，防冲击和抗振动水平分别提高3倍和4倍，更加适应公交客车等道路运输车辆的应用。DuraBlue?也是针对中国客车市场，考虑了中国路面交通行驶情况，在运行当中振动比较高的要求来推出的，这个产品也是Maxwell中国产品本地化的重要步骤。

《汽车纵横》：这项新技术应用到汽车领域能带来哪些变化？

陈宁：这个新产品我们大概今年下半年开始推向市场。单体电压的上升可以带来具体应用模块数量的减少从而降低综合系统成本。这是我们一贯的思路，通过技术的升级换代来减少市场成本。这不只应用于中国客车行业，其他行业也有如此需求。

《汽车纵横》：您刚才提到新产品是针对中国客车市场的实际需求推出的，那么Maxwell对国内客车市场有哪些看法？目前在国内的进展如何？

Michael A.Everett：目前我们的超级电容设备已经用在全球一百多万辆汽车上，中国很多城市在混合动力公交汽车的使用上在全球引领潮流，所以我们整个超级电容系统在中国也是非常有发展前景的。现在中国有大量的混合动力公交车，我们可以帮助他们进一步提高整个能源的利用效率，在制动系统上进一步提高能效，可以进一步降低近90%的二氧化碳排放。我们的超级电容系统可以和电池系统共同应用到混合动力公交车上，帮助电池系统专注于持续供能，分担峰值负荷。

陈宁：目前，Maxwell在中国超级电容混合动力客车的保有量已超过一万辆，宇通、金龙、金旅、海格、南车等国内知名的十多家车企都已将超级电容应用于新能源汽车上。我们与中国的客车行业合作已有三四年，最近几年的增长非常快，可以说，现在在街上跑的新能源公交车上的超级电容器很多都是Maxwell提供的，这个领域将来的增长潜力巨大。超级电容在公交车方面的显著应用效果就是节能率提高30%。

总体来讲，国家政府对新能源汽车以及轨道交通的支持，是为了减少排放，减少污染和节约能源，而这几个角度都需要超级电容。在中国城市化进程中，大城市、中等城市和小城市，对客车这类交通工具的需求是多层面的，可能大城市有很多的电动客车，中小城市有很多的插电式混合动力客车，可能再小一级的乡村里还会需要混动客车，因为充电桩不足，我们希望电池和超级电容结合得更好，希望超级电容应用得更多，在这么多技术里，超级电容确实能够做到回收能源，这就意味着实际减少了能源的使用。

如何迈过成本之坎

《汽车纵横》：推广超级电容涉及另一个重要问题，就是成本。目前国内的客车厂商也在寻找本地的其他超级电容供应商，或者减少超级电容的装车数量。Maxwell如何看待国内客车厂家的这种做法，在降低成本方面有没有什么具体进展或计划？

陈宁： Maxwell超级电容的成本，包括整个行业的成本，在过去三年当中降了40%?50%。原因之一是整个行业的量上去了，成本自然会下降。

另一个原因是，我们在这么多年中一直在持续降低成本。但是这里有一个平衡需要掌握，即降低成本不能以牺牲可靠性和质量为代价，Maxwell有责任跟整个行业一起维护这个行业的良性发展，在技术革新上下功夫，不是单纯为了降低价格而降低成本。我们也有可能通过技术换代来减少每一辆车的超级电容使用量，这也是一个角度。

客车厂寻求减少电容，寻求第二供应商和第三供应商是非常合理的，客车厂是在做它们应该做的事情，它们也逐步会找到自己的一个平衡点，把综合的成本降低。

Michael A.Everett：影响到成本的重要因素，首先就是技术的进一步发展，还有系统的技术应用方案，这两个方面可以降低超级电容的整体费用，而不是单从技术上降低成本。因为现在我们已经看到，整个成本进一步下降的空间已经越来越小了，从单一的技术角度已经很难再降，所以我们推出的2.85V的新产品，也是进一步从系统解决方案上降低成本。

超级电容篇9

关键词：配电网自动化 负荷开关 超级电容 反激 EMC

引言

在配网自动化电力设备中，稳定可靠的控制电源是必不可少的，所需的电源不仅需要为控制电路提供低压控制电源，也要驱动分界负荷电动开关。目前各电网公司使用比较普遍的电源模式如图一所示：

图一：典型配电网自动化电源模式

电源包括两路，一路为主电源，用于日常正常供电；另一路为蓄电池配充电器，用于失电后的备用电源。这种电源模式成本高，电路较复杂，维护也比较麻烦。另外驱动负荷开关需要的功率较大，以日本高压电气的CNCG-601H-4型分界负荷开关为例，工作电压是24V，合闸平均电流9.5A，分闸瞬间电流可达21.5A，常常需要蓄电池辅助才能驱动，但蓄电池失效的可能性较大，所以有些电网公司要求在没有蓄电池的情况下也能驱动符合开关，这就需要使用较大功率的主电源。但是在正常使用过程中负荷开关开合的几率小，开关时间短（合闸的时间不会超过3秒），而控制板电源一般在5W左右，所以电源几乎处于待机状态，没有充分的得到应用。我们知道功率大同时又能满足电力类国标最高级标准的电源的价格是相当昂贵的，而且也很难购买到，市场上大部分电源只能达到二级、三级。

本文提出了一种配用较小功率（80W以下）开关电源就能驱动大功率负荷开关的电源设计方法，同时介绍了一些实践证明非常实用的EMC解决方案。

一、输入部分的设计

输入部分的设计很重要，大部分测试都是与输入相关。对于电源的EMC的测试中，最难最致命的要数浪涌（冲击）抗扰度测试，根据GB/T 17626.5四级要求：差模（相对大地）4000V，共模（相与相之间）2000V[1]，除了需要留足够的安全距离（大于8MM）以外，保护器件是必不可少的，这里采用压敏电阻串联气体放电管，经过多次实践证明是非常有效的防雷击方法，电路如图二所示。 图中D1为气体放电管，气体放电管残压低，流通量大，与压敏电阻结合能起到很好的防雷击作用。需要注意的是接地连线要尽量的短，且有足够的截面泄放暂态大电流。

图二 输入部分的原理图

对于群脉冲、传导和震荡波等测试，需要接热敏电阻、X电容、Y电容和共模电感，必要时，在输入线上套磁环，这些方法很多资料都有介绍，这里不再详细介绍。

二，控制部分的设计

鉴于电源功率在80W以下，我们采用比较简单的单管反激式电路，控制芯片采用常用的UC3843，需要注意的是电力控制电源在室外取电，电网波动较大，所以场效应管的耐压值的选取一般需要留较大的余量，比如2SK2850（6A900V）。为了满足耐压要求，变压器需要加当4mm挡墙或次级用三层绝缘线[3]，初次级绕组用铜箔隔离。对于具体的控制电路和变压器设计方法，很多开关电源书上都有详细介绍，如张占松的《开关电源原理与设计》、Sanjaya Maliktala的《开关电源的设计与优化》等等。

三，输出部分的设计

输出部分就比较特殊了，前半部分和通用的开关电源一样整流滤波电路，后半部分的设计如图三所示，FC1为超级电容，用于储能，同时也能吸收一部分外界干扰；R1，R2是大功率水泥电阻，起到调节充电电流的作用，通过改变该电阻的大小，可以改变为超级电容充电的时间，电阻阻值越小，充电越快，当然，充电功率不能超过前端电源的最大设计功率；C1、C2是高压瓷片电容，也可以用Y电容，在这里对遥信遥控回路浪涌(冲击)和群脉冲抗扰度测试起到泄放瞬时电流尖峰的作用，其电容值可在EMC测试中调节。图中，左边的接口（V+）用作小功率控制电源输出，右边接口（KV+）作为瞬时大功率输出（负荷开关）。

图三 输出端电容充电电路图

整个电源系统模式如图四所示：

图四电源系统图

这里使用的超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能，是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，有着法拉级的超大电容量，比传统的电解电容器的积能密度高上百倍，漏电流小近千倍，它的放电比功率较蓄电池高近十倍，可反复充放电十万次，不需要任何维护和保养，寿命长达十年以上，是一种理想的大功率物理二次电源[2]，在这里我们用超级电容取代蓄电池，该充电电路充电简单可靠，既可以辅助驱动电动开关，又可以在掉电的情况下维持控制电路正常工作一段时间，而且过充、过放都不对其寿命构成负面影响，相对于用蓄电池作为备用电源来说，大大减少了维护费用，提高了可靠性。

当然，如果要求在掉电的情况下能继续工作更长的时间（比如工作30分钟以上），那么，继续增大电容的容量就不太可取了，因为成本太高。这种情况下可以直接把蓄电池接在图四中的KV+和V-端，但主电源的输出电压需要提升到蓄电池的浮充电压（一般为27.2V），让蓄电池一直保持浮充状态，可以更好的延长蓄电池的寿命，唯一的缺点是充电速度不如专用充电器快，但是在正常使用过程中充电的快慢并不重要；另外，在投入电池之前最好先给超级电容充电，以免电池给没有电压的超级电容充电。

四，超级电容容量及放电时间计算方法

超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，因为计算较为容易。超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量；另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。我们这里主要考虑容性。

超电容容量的近似计算公式： 保持所需能量=超级电容减少的能量

保持期间所需能量= 1/2 I (Vwork + Vmin) t

超电容减少能量 = 1/2 C (Vwork2 - Vmin2)

其中： Vwork(V)：正常工作电压

Vmin(V)： 截止工作电压；

t(s)： 在电路中要求持续工作时间；

I(A)： 负载电流；

C(F)： 超电容的标称容量；

因而，可得其容量(忽略由内阻引起的压降) ：

C=(Vwork + Vmin)It/( Vwork2 -Vmin2)

如果要求在这期间驱动开关一次，则保持期间所需能量还需加上驱动开关所需的能量。

驱动开关所需能量 =Ib 2 R(Ω)tb，其中Ib是驱动开关的平均电流；tb是驱动一次开关所需的时间；R(Ω)是超级电容的内阻。

五，总结

此电源电路简单可靠，寿命长，成本低，维护方便，特别适用于对掉电后保持工作时间要求不长的末端站及用户站。可以预料随着超级电容技术的不断发展和成本的降低，此结构的电源会越来越广泛的被应用电网自动化电源中。

参考文献：

[1] 广东电网公司. 广东电网配电网自动化终端技术规范，南方电网，2011:11-12.

[2] 省略/news/read.asp?id=340.

超级电容篇10

这个数据对于乐视来说或许只是一个里程碑，但对于整个智能电视行业来说却是一个转折点，其中这个数据透露出来的超级电视走势，正在预示着成为现实。

超级电视的生存法则：多位一体

一年前，乐视TV超级电视的时候，很多行业人均惊呼乐视TV这是自杀行为，因为根据当时的市场行情和组件价格计算的话，乐视TV当时推出的超级电视完全就是一个赔本的活儿。不过，面对这种质疑，乐视TV很快给予了官方说明：乐视TV并不完全依靠硬件挣钱，而是通过“平台+内容+终端+应用”的乐视生态，打造一个全球唯一的完整互联网大屏生态系统。

而一年多之后，乐视TV完成了这趟试水之旅。

这种新的商业模式为乐视TV带来的意义，在于其颠覆了传统电视的传统模式，并且其依托互联网的方式也让乐视实现了新的效果营销。特别乐视TV坚持按BOM定价，采用CP2C的模式实现了厂商合一，做到砍掉营销成本、渠道成本和不合理的品牌溢价，全流程直达用户，开创基于产业链垂直整合的“人人电商”模式。

“人人电商”模式是一种基于兴趣爱好的社群重构，是一种新的玩法，它靠社会化手段，让用户参与活动，进而口碑相传的形式网聚流量。此前乐视推出的“岛国双飞”，以及919疯狂“乐迷节”都是“人人电商”模式的经典案例。

这种新商业模式的尝试给乐视TV带来的变化是巨大的，据奥维咨询监测报告显示，今年7月份乐视超级电视线上销量占有率达27.1%，位居第一，而中怡康数据也显示，乐视TV超级电视7月份单月市占率达到7.36%，超过三星、夏普、索尼三大洋品牌。另外，在39英寸、50英寸、60英寸、70英寸的产品销售中，乐视TV的销量也占据头名，一举夺得了行业销售冠军的桂冠。

颠覆引领创新：传统电视路在何方

乐视超级TV与其他传统电视有什么区别？

除了与其他传统电视均具备常规功能之外，乐视TV的超级电视在产品形态、商业模式、销售价格等方面均有所不同，特别是其独创的“平台+内容+终端+应用”的乐视生态，使得家用电视第一次通过结合软件、硬件和互联网、以及视频内容为一体而实现了新的体验，这种新的方式使得超级电视与传统电视具有了质的区别。

另外不得不提的一点，是超级电视在营销方面极力依赖和融合互联网的方式，使得厂家和消费者可实现一对一的交易，这期间也因为省略了诸多经营商环节，从而使得消费者最终购买到的超级电视更具性价比。另外一方面，超级电视大多拥有来源丰富的内容，消费者购买电视之后，即可通过商家提供的内容实现即时观看。

这样的特征对于传统电视而言，则意味着空白。

在目前的行业发展状况下，传统电视只是单纯地依赖既有的产品技术，但在创新和内容方面并无突破，这就使得超级电视颠覆传统电视成为必然之举。虽然近年来一些传统电视厂商在市场上也对超级电视的到来做好了防御工作，但其并未从本身改变超级电视的结局，也注定了传统电视的未来将会越发艰难。

从目前的情况来看，随着信息技术的发展，超级电视与传统电视的分界线将进一步加大，而传统电视如果在未来不寻求新的突破，那么其市场份额也将被超级电视一步步蚕食。

超级电视：下一个家庭数字中心

在当前的市面上，超级电视在内容播放、游戏娱乐、网络接入等方面均有了新的进展，普通用户通过超级电视即可进行全方面数字娱乐的方式，将使得超级电视成为逐渐取代家庭娱乐中心的位置。未来随着这股潮流的推进，家庭娱乐中心完全被超级电视取代并不是预想中的事实。

另外一方面，随着互联网信息技术的日趋影响，智能电视的功能已经不再只是单纯的播放电视节目，通过智能电视实现电视购物等方式，目前也正在成为新型的生活方式。而在其他领域方面，智能电视的所能发挥的作用也在一步一步加大，比如利用只能电视穿衣、利用智能电视实现远程教育等，也即将在未来成为现实。