2.4　超級電容器

2.4.1　概述

電動汽車上，要求儲能器的能量密度為200～300W·h/kg，功率密度大于800～1000W/kg。目前，即使是高性能的鋰離子電池的能量密度也僅在200W/kg左右。

動力電池不但體積和質量都大，而且在汽車啟動、加速和爬坡時，電池會受到大電流放電的沖擊，鉛酸蓄電池不得在高倍率的條件下重復放電，鋰電池在高倍率的條件下重復放電時，電池的壽命將急劇縮短。此外，在汽車下坡長距離制動時，動力電池還無法接受大電流的快速充電，從而降低制動反饋能量回收的效率。

在近代的電動汽車上，超級電容器被廣泛采用。超級電容器的電能和動力電池的電能，可以與發動機-發電機的電能或與燃料電池電力的電能共同組成“電-電”電力耦合驅動系統，使得電動汽車的動力性能得到極大的改善和提高。并出現了單獨以超級電容器為電源的超級電容的“純電動汽車”。電容器分為普通電容器、超級電容器和電化學超級電容器等。

2.4.1.1　超級電容器

超級電容器又稱為雙層電容器，是一種電荷儲存電器，當電源電壓作用在超級電容器的兩極時，電源的電荷儲存在超級電容器中，其極限容量大于普通電容器3～4個數量級，達到10³F/g的大容量，比功率可達到1kW/kg級以上。超級電容器能夠承受大電流、大功率的充放電。它具有較寬的工作電壓及溫度范圍，循環壽命長。三種儲能式裝備的性能對比見表2-6。超級電容器的技術指標見表2-7。

①功率型超級電容器　功率密度≥8000W/kg，能量密度≥6W·h/kg，循環壽命≥500000次，安全性滿足國家標準或規范。

②能量型超級電容器　功率密度≥3000W/kg，能量密度≥30W·h/kg，循環壽命≥10000次，安全性滿足國家標準或規范。

2.4.1.2　超級電容器的主要性能和術語

（1）超級電容器的電壓　超級電容器的主要電壓指標為額定電壓（直流）U_R和工作電壓等。

①額定電壓（直流）　超級電容器的額定電壓U_R，是電容器在額定的溫度范圍內允許連續工作的電壓。額定電壓U_R是保證超級電容器壽命的電壓值。

水基電解質超級電容器的額定電壓U_R=1.4V，有機物電解質超級電容器的額定電壓隨著年代發展逐年提高，有U_R為2.3V、2.5V和2.7V等。

②工作電壓　超級電容器的工作電壓，是指在額定溫度范圍內允許的連續工作電壓，在額定溫度范圍內，超級電容器可以以0至額定電壓U_R之間任何電壓值進行連續工作。超級電容器的壽命隨著工作電壓的上升而減短。

③工作電壓與壽命的關系　超級電容器的壽命與工作電壓和環境溫度的關系如圖2-32所示，隨著超級電容器的電壓及溫度的升高，電解液的揮發和分解速率增加。在相同的溫度條件下，電壓增加0.1V，電容器的壽命將減少一半，所以適當地減小超級電容器的工作電壓，對電容器的壽命具有重要作用。

（2）超級電容器的電流　超級電容器需要在高倍率的充放電條件下工作，要求必須可以承受高倍率的充放電的電流沖擊，所以，超級電容器的額定電流和峰值電流與其他儲能式裝置額定值有所不同。

①額定電流　超級電容器在充電時電壓達到額定電壓后，維持30～60s，在5s內將超級電容器的端電壓放電降低到額定電壓的一半時，所放出的電流是額定電流。

②峰值電流　超級電容器在充電時電壓達到額定電壓后，保持30～60s，在1s內將超級電容器的端電壓放電降低到額定電壓的一半時，所放出的電流是峰值電流。

③漏電流　超級電容器組各個單體電容器保持電荷的能力有所不同，靜置時間較長時，保持電荷能力較差的電容器的電荷會泄漏。充電時，漏電流小的電容器最先達到充電終點，而漏電流大的電容器仍然需要繼續充電。放電時，漏電流大的電容器最先將電荷放完，達到充電終點，而漏電流小的電容器仍然需要保持剩余的電荷。

（3）超級電容器的電容量　超級電容器容納電荷的電子器件是由兩個彼此絕緣的平板形金屬電容板組成的，在兩塊電容板之間用絕緣材料隔開。雙層超級電容器儲能的容量與其雙層的有效面積大小成正比，雙層超級電容器比表面面積大，可達到100％。雙層超級電容器的容量和電容板之間的間隙大小成反比，為了減小電容板間的間隙，使用納米管結晶材料制造的超薄型電容板和隔膜，在電容器兩個極板之間的距離只為納米級。電解質的雙層電荷是以離子形式出現的。電容器的電容量為

　　 （2-2） 　　

式中　ε——電介質的介電常數，F/m；

A——電極表面積，m²；

d——電容器間隙的距離，m。

根據電化學原理，導體和電解質接觸時，在電解質界面兩側（一層在電極上，另一層在電解質界面外）產生穩定的、對稱排列但極性相反的雙層電荷。雙層超級電容器的電容量的計算公式為

　　 （2-3） 　　

式中　q——界面雙面的電荷量，C；

ф_M——界面固體側的電位，V；

ф_S——界面液體側的電位，V；

ф_a——電容器充電后的電位，V；

ф₀——電容器充電前的起始電位（新電容器起始電位ф₀=0），V。

（4）超級電容器的儲存能量　當超級電容元件進行充電時，隨著外電源作用于電容器上的電壓增高，超級電容器從電源上獲得電能，電容器的能量增大；當超級電容器進行放電時，電容器上的電壓降低，超級電容器向負載釋放電能，電容器的能量降低。在電容器充電時，電容器的儲存能量為E。

　　 （2-4） 　　

式中　U_u——超級電容器的最大工作電壓，V。

雙層超級電容器的電容量從1F至幾千法，工作電壓由幾十伏至幾百伏，放電電流可高達幾千安，功率密度大于1kW/kg，充放電次數高達10萬次，工作溫度范圍為-35～75℃。當電動汽車在啟動和加速時短時間需要大電流，用超級電容器提供大電流，可以顯著減輕動力電池組的負荷，延長動力電池組的壽命。

例如一個2.7V、600F的超級電容器，最大儲能量為2187J，放電至額定電壓的一半時的剩余能量為1640J，但超級電容器的尺寸只有28mm×60mm×90mm。又如一個2.7V、5000F的超級電容器，最大儲能量是18225J，放電到額定電壓的一半時的剩余能量是13668J，但超級電容器的尺寸只有47mm×60mm×165mm。所以，超級電容器儲存的能量是非常大的。

（5）超級電容器的比能量與能量密度　超級電容器的儲能量，除以超級電容器的質量作為超級電容器的比能量，除以超級電容器的體積作為超級電容器的能量密度。某些超級電容器的比能量只有5.82W·h/kg，能量密度只有7.11W·h/L。鉛酸蓄電池的比能量為30W·h/kg，鎳氫電池比能量為60～80W·h/kg，鋰離子電池的比能量能達到100W·h/kg。超級電容器的比能量明顯低于各種動力電池。

（6）超級電容器的比功率與功率密度　超級電容器在匹配負載下產生的電效應與熱效應各半時的放電功率，除以超級電容器的質量作為超級電容器的比功率，除以超級電容器的體積作為超級電容器的功率密度。某些超級電容器的比功率達到5.24kW/kg，功率密度達到6.4kW/L。而鎳-氫電池的比功率是200～300W/kg，鋰離子電池的比功率是400W·h/kg。超級電容器的比功率遠遠高于各種動力電池。

因為超級電容器的能量和功率特征與動力電池不一樣，所以在電動汽車上通常采用超級電容器與動力電池組性能互補的策略，在電動汽車啟動或加速時，利用超級電容器高倍率的放電特性來釋放高倍率電流，保護動力電池組不會因為高倍率放電而受到損害。在電動汽車以巡航速度行駛時，用動力電池組的電能供電，并為超級電容器進行充電，為下一次高倍率的放電儲存電能，充分發揮超級電容器及動力電池組的特性和功能。

（7）超級電容器的均壓問題　單體超級電容器的電壓范圍是1～3V，電動汽車需要高電壓和大功率的超級電容器組來提供所需要的電源，通常采用串聯和并聯的組合來實現。超級電容器組的電壓是由串聯的超級電容器的個數來確定的，超級電容器組的功率則是由并聯的超級電容器的個數進行確定的。要求每個單體超級電容器的性能應該是“一致性”的。

因為制造誤差和自放電率不同，單體超級電容器之間的容量偏差為-10％～30％，上下偏差1.44。與動力電池類似，在超級電容器組充電時，容量偏差最小的超級電容器最先達到額定電壓，而容量偏差最大的超級電容器同時只達到69％的額定電壓；其儲能量僅為69％，是最小的儲能量。當容量偏差最小的超級電容器最早達到額定電壓后，繼續向它充電，會因電解液的消耗而降低其性能，并影響超級電容器組中其他單體電容器的充電。在超級電容器組放電時，漏電流大的單體超級電容器，最先將電荷放光達到放電終了，而漏電流小的超級電容器，仍然保留較多的電荷，從而影響了超級電容器組中其他單體電容器的放電。所以在使用超級電容器組時，必須選擇一致性好的單體超級電容器來組合。

（8）超級電容器的壽命

①使用壽命　超級電容器在充放電過程中會發熱，其性能對溫度比較敏感，溫度升高對超級電容器的性能有顯著的影響。

超級電容器在25℃的環境溫度時工作壽命一般為90000h，在60℃的環境溫度時工作壽命一般為4000h，通常是溫度每下降10℃，超級電容器的壽命增加一半。超級電容器的儲存溫度范圍為-40～60℃。影響超級電容器壽命的原因是電解液的流失隨溫度的升高而增高，當超級電容器的電容量降低到額定容量的20％時，超級電容器的壽命就達到終了。

②循環壽命　超級電容器用20s恒壓充電到額定電壓，通過間歇10s后，進行放電，當電壓下降到一半時，為一個充放電循環。超級電容器充放電循環通常可達50次。

2.4.2　超級電容器的結構、工作原理、類型和電解質

2.4.2.1　超級電容器的結構和工作原理

（1）超級電容器的結構　如圖2-33是雙層超級電容器（EDLC）的基本結構。雙層超級電容器的一對電容板上安裝有固體活性物質，在兩個電容板之間，裝有電解液，以及將正極和負極隔離的絕緣層，電極采用孔徑為50～100μm的炭粒子多孔材料制成，在電極/電解界面形成的平面當作隔離電荷的屏障。電解界面的兩側帶有極性相反的電荷，電荷沿電容板與電解界面成對排列形成一個雙層電容器。超級電容器的正負極上的電荷，在數量上要比普通電容器大得多。

（2）超級電容器的工作原理　超級電容器的兩個電極浸泡在電解液中。當超級電容器的端電壓為0時，電極上無電荷，超級電容器中的離子自由分布。當超級電容器的兩個電極施加電壓后，在正負電極表面分別聚集了正負電荷。在正電荷的電力作用下，吸附負極表面與電解液中的陰離子，向正極聚集，并在正極形成和正負電荷相對稱的雙電層。同時在負電荷的電力作用下，吸附正極表面以及電解液中的陽離子，向負極聚集，并在負極形成與負正電荷相對稱雙電層。超級電容器在充電時用電極界面上產生的電吸附來儲存電能，在放電時用氧化還原反應來釋放電能（圖2-34）。

2.4.2.2　超級電容器的類型和電解質

按超級電容器的電極材料分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器、高分子聚合物電極超級電容器、碳鎳體電極超級電容器、碳金屬纖維復合物電極超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器，以及曾經出現過以黃金電極（金電容器）超級電容器等。

（1）超級電容器的類型

①碳電極雙電層超級電容器　碳電極雙電層超級電容器采用多孔碳制成的碳纖維或碳布作為電極，用碳纖維或碳布為電極的活性面積層，可以達到2500m²/g。碳電極的容量是100F/g。碳電極雙層超級電容器的電荷儲存在電極和電解質形成的雙層結構中，理論上存儲的電容大小和電極面積成正比，正負極所存儲的電荷顯著超過電解電容器的電荷。碳電極的主要優點為原料廣泛、活性面積大、制造技術成熟、價格低廉等，但隨著活性面積的增加，其穩定性和導通性會降低，碳電極雙層超級電容器充放電曲線如圖2-35所示。

采用納米碳管制造的碳薄膜電極，厚度只有25.4μm，比電容達到49～113F/g，電容密度達到39.2～90.4F/cm³。

②金屬氧化物電極超級電容器　金屬氧化物電極超級電容器是以氧化銥（IrO₂）、氧化釕（RuO₂）等作為電極活性物質，應用法拉第效應原理儲存電能。在發生氧化還原反應過程中進行電子迅速傳遞。以氧化釕（RuO₂）超級電容器的充電與放電為例，當金屬氧化物（RuO₂）超級電容器充電時，一個電極吸附氫離子，另一個電極釋放氫離子；當金屬氧化物電容器放電時，以前吸附氫離子的電極轉為釋放氫離子，另一個原來釋放氫離子的電極轉為吸附氫離子。超級電容器在充放電過程中，氫離子被吸附/被釋放，進入/離開，在氧化釕的晶體內部循環交替進行，不管是充電或放電，電解質中氫離子的濃度總是保持不變。氧化釕（RuO₂）的化合價在反應過程中會在3～6價之間變化，相當于動力電池中的化學反應效應。

所以，金屬氧化物電極超級電容器兼有雙層電容器和動力電池的效應，電能的儲存密度超過雙層超級電容器。

金屬氧化物氧化釕（RuO₂）電極具有高導通率、低衰退率及良好的可逆性，RuO₂電極的容量可達到750F/g，遠遠大于碳電極雙層超級電容器100F/g的容量。質量電導率比碳電極雙層超級電容器大2個數量級，充電性能好、循環壽命長。但是金屬氧化物氧化釕（RuO₂）超級電容器存在額定電壓較低、采用的電解質有限制等缺點（釕在地球上儲存量稀少，氧化釕成本太高），所以難以實現大規模產業化生產。金屬氧化物電極超級電容器充放電單體電壓變化如圖2-36所示。

③導電高分子聚合物電極超級電容器　導電高分子聚合物電極超級電容器中的導電高分子聚合物，通過雜化處理，應用法拉第準電容效應原理儲存電能。聚合物在充電與放電時的氧化還原反應過程中，在導電高分子聚合物上迅速產生n型或p型摻雜以及去摻雜的氧化還原反應過程，使導電高分子聚合物儲存和釋放高密度的電荷。所以儲能方式與動力電池相類似，被稱為“準”電容。導電高分子聚合物電極超級電容器，具有高的工作電壓及電能的儲存密度、比能量和比功率，超過其他形式的超級電容器。

但高分子聚合物材料在循環充放電過程中，會發生體積膨脹及老化，在長期工作時會出現性能惡化、穩定性較差和壽命較短等缺點。導電高分子聚合物電極超級電容器充放電單體電壓變化如圖2-37所示。

④碳鎳體系電極超級電容器　碳鎳體系電極超級電容器和其他超級電容器不同之處是，只有一塊碳電極，而另外一塊是金屬電極，又稱為混合電極型超級電容器。當一塊電極的電壓產生變化時，另一塊電極的極板不會發生極化或發生較小的極化，這樣能夠充分應用法拉第“準電容”效應原理提高電容器儲存的電能，碳鎳體系也叫作“雙電層-準電容器”。碳鎳體系超級電容器采用碳作為一個電極，氧化鎳作為另一個電極，綜合了雙電層電容器與準電容的儲能原理，碳鎳體系超級電容器的結構如圖2-38所示。

（2）超級電容器的電解質　按照超級電容器采用的電解質不同可分為無機電解液超級電容器和有機電解液超級電容器。

①水溶液電解質　在超級電容器中通常采用水溶液電解質，水溶液電解質的比表面積>1000m²/g，振實密度>0.4g/cm³，比電容達到240F/g；內阻非常低，電導率高，超級電容器可以獲得較高的比功率。水溶液電解質的提純、干燥等工藝比較簡單，成本較低廉。

但水溶液電解質的單體電壓不超過1V，使得采用水溶液電解質的超級電容器的比能量很難提高。

②有機電解質　有機電解質可以提高超級電容器的電壓，以氰化甲烷、碳酸丙烯等作為電解質，比表面積>1000m²/g，振實密度>0.3g/cm³，比電容達到150F/g。單體電壓可超過2V，并可達瞬間到2.7V。超級電容器的儲存能量和電壓平方成正比（E=0.5CU²），采用有機電解質可以提高超級電容器的比能量，使得超級電容器的比能量達到18W·h/kg，是較理想的電解質（表2-8）。

但有機電解質超級電容器的電離比較困難，內阻較高，是水溶液電解質的20～50倍，所以內阻比較大，內阻高表現為超級電容器的功率會下降［P=U²/（4R）］。有機電解質對電極材料有腐蝕作用，需要采用特殊凈化工藝和對電極涂抹保護層，制造工藝比較復雜。

2.4.3　超級電容器的管理系統

超級電容器的管理系統的主要功能是建立超級電容器的模型和等效電路模型，超級電容器的電壓、電流等電能數據和熱量數據等的檢測、采集及監管；控制超級電容器的充放電以及解決超級電容器組中單體超級電容器的“不一致”的均衡問題和熱量管理等。通過通信系統在顯示屏上顯示電池的電壓、電流等可視數據，為駕駛員駕駛操控電動汽車提供行車參考的技術數據。

2.4.3.1　超級電容器的等效電路模型

超級電容器的等效電路模型是應用通常的電器元件，用于研究和描述超級電容器的外特性，以解決對超級電容器的理論分析及控制策略研究的要求。超級電容器有多種等效電路，如下所示。

（1）充放電等效電路模型

①模型概述　在超級電容器的充放電等效電路模型中，超級電容器用一個簡單的RC回路來描述，在RC回路的圖形中，C是理想超級電容器，U_SCAP為超級電容器的工作電壓，i為充放電時的電流。

a.充電時U_L為電源電壓，R₁為充電限流電阻，R_ESR為電容內阻。

b.放電時U_c0為初始電壓（超級電容器C在t=0時的電壓），R_ESR為電容內阻，R₀是負載電阻。

充放電等效電路模型結構簡單，可以在一定的精度范圍內對超級電容器的特性進行描述。但在基本的充放電等效電路模型中，因為超級電容器的容量C和電容內阻R_ESR為常數，恒定不變，和實際情況不符，應用到動態特性描述時，降低了對超級電容器動態特性描述的準確性（圖2-39）。

②等效電路的充電電壓　將超級電容器簡化為RC回路，等效電路充電時的工作電壓U_SCAP可用式（2-5）計算。

　　 （2-5） 　　

式中　U_c0——超級電容器C在t=0時刻的電壓，V；

U_L——超級電容器C在充電時的電壓，V；R₀——負載電阻，Ω；

R_ESR——電容器的等效內阻，Ω；

C——理想工作電容，F。

③等效電路的放電電壓　等效電路放電時的工作電壓U_SCAP可用式（2-6）計算。

　　 （2-6） 　　

（2）變參數等效電路模型　電動汽車的電力驅動系統的實際工況非常復雜，超級電容器實際工作在大電流脈動狀態下，電壓、電流、環境溫度均處于波動狀態，基本的等效電路無法適應超級電容器的動態特性描述。超級電容器在工作時的動態等效電路模型是根據理想電容器的容量C、等效串聯電容內阻R_ESR的電阻和超級電容器自放電電阻R_p的電阻（自放電電阻R_p的電阻值較大）隨超級電容器工作環境變化而變化的函數來建立的（圖2-40）。

超級電容器變參數等效電路模型的數學描述如下。

①電流

　　 （2-7） 　　

式中　U_c——超級電容器的電壓，V；

R_p——超級電容器的自放電電阻，Ω。

②工作電壓

U_SCAP（t）=U_c-IR_p　　（2-8）

超級電容器充放電特性如圖2-41所示。

2.4.3.2　超級電容器的均壓問題

單體超級電容器因為材質不均勻、有制造誤差、電容器內阻不同和自放電率不同等因素的影響，各個單體超級電容器的電壓會出現“不一致”性，相互之間的容量偏差量可達到-10％～+30％，上下偏差±1.44。在大量使用串聯超級電容器組時，應使用電容量基本一致的超級電容器，但實際上比較困難，且會提高超級電容器的成本。

（1）引起超級電容器組“不一致”的原因

①超級電容器的電容量的“不一致”　當多個電容量不一致的超級電容器串聯使用時，電容量最小的超級電容器最先達到額定電壓，而電容量最大的超級電容器僅達到69％左右的電壓，它的儲能量只有額定儲能量的0.69左右。這直接影響了超級電容器組的充放電的電容量，并且降低超級電容器組的壽命。

②超級電容器的等效內阻R_ESR的“不一致”　當多個等效內阻不一致的超級電容器串聯使用時，在充放電過程中，電容器等效內阻R_ESR大的單體電容器最先達到充放電的終點，而且單體電容器等效內阻R_ESR小的則充放電不充分。一般等效內阻R_ESR相對較大，隨著反復充放電的次數增加，超級電容器的性能也逐漸衰減，等效內阻R_ESR由于超級電容器性能的衰減，不一致性也越來越大。

③超級電容器的漏電流的“不一致”　超級電容器組各個單體電容器保持電荷的能力有所不同，在較長靜置時間時，保持電荷能力較差的電容器的電荷會發生泄漏。充電時，漏電流小的電容器最先達到充電終點，而漏電流大的電容器依舊需要繼續充電。放電時，漏電流大的電容器最先將電荷放完，達到放電終點，而漏電流小的電容器仍舊保持剩余的電荷。

（2）超級電容器的動態均壓電路　電動汽車行駛過程是始終處于動態運行狀態，對超級電容器的充放電的電能變化，通常采用動態均壓電路，以達到電動汽車動態運行狀態的要求。在超級電容器的整個充放電的過程中，均壓電路始終保持每個單體超級電容器的電壓均壓。動態均壓電路具有自動調節時間短、電壓分配均勻、寄生功率小等特點。

①動態均壓電路　通用動態均壓電路如圖2-42所示，其中用晶體管Q₁、Q₂與電阻R₅組成“全互補射極跟隨器”，超級電容器的電壓通過電阻R₃、R₄，反饋到“全互補射極跟隨器”輸入端處，影響“全互補射極跟隨器”的電壓輸入。

當兩個超級電容器C₁和C₂的電壓出現微小的偏差時，運算放大器A迅速做出反應，受R₃、R₄構成的反饋電阻所產生的反饋電壓作用，當運算放大器輸出電壓達到迫使“全互補射極跟隨器”導通時，將運算放大器產生的開環增益，強加到電阻R₅上，迫使超級電容器C₁和C₂之間產生均壓電壓。

特點是反饋電阻R₃、R₄連接到“全互補射極跟隨器”輸入端處，將通過計算放大器A運算數據輸入到“全互補射極跟隨器”，超級電容器C₁和C₂之間出現微小的差異并可能同時出現外電路干擾時，均壓電路隨時都可以立即做出反應，保持均壓電路始終處于動態控制狀態，但增加了在均壓電路上不必要的損耗。

②節能型動態均壓電路　節能型動態均壓電路如圖2-43，其中用晶體管Q₁、Q₂及電阻R₅組成“節能型全互補射極跟隨器”，經過電阻R₃、R₄反饋的電壓，連接至“全互補射極跟隨器”輸出端處。對“全互補射極跟隨器”輸出的電壓不產生影響，僅對電阻R₅產生影響。

當兩個超級電容器C₁和C₂的電壓出現微小的偏差時，運算放大器A做出反應，當運算放大器輸出電壓達到迫使“全互補射極跟隨器”導通時，電阻R₃、R₄反饋的電壓，將運算放大器產生的開環增益加至電阻R₅上，進行自動調節，使超級電容器C₁與C₂之間形成均壓電壓。

特點是反饋電阻R₃、R₄，連接到“全互補射極跟隨器”輸出端處，通過計算放大器A運算數據輸入至全互補射極跟隨器的電壓，受R₃、R₄構成的反饋電阻的反饋電壓影響，自動控制作用到電阻R₅上的電壓，只有在兩個超級電容器C₁與C₂之間電壓差偏大超過20～30mV時才能工作，而C₁與C₂之間電壓差偏低于20～30mV時不工作，即電阻R₅上無電流通過，可以有效地減少均壓電路上的能耗。

2.4.3.3　超級電容器在電動汽車上的應用

（1）超級電容器的技術性能　電動汽車要求單體超級電容器的容量達到1500F以上，以滿足電動汽車峰值功率輸出的要求。在電動汽車上最常采用的超級電容器是以活性炭作為正負極的“炭基超級電容”，以氧化鎳為正極、活性炭為負極的“雜化超級電容器”。其中“雜化超級電容器”的體積小于“炭基超級電容”的體積，在電動汽車上安裝和使用更為方便。

超級電容器具有充放電快速、功率釋放能力強、清潔無污染、壽命長等優點。可以作為電動汽車與燃料電池汽車的主電源或輔助電源，或與動力電池組及燃料電池共同組成“電-電”耦合電力供應系統，可以滿足燃料電池汽車和混合動力汽車提高峰值功率的要求，并能夠減小動力電池組的容量和體積，保護和延長動力電池組的壽命。

（2）超級電容器的充電和放電　超級電容器在充電和放電時，受放電電流及放電時溫度的影響較大，如圖2-44和圖2-45所示為UCT型超級電容器的放電特性。

在電動汽車上，需要將多個單體超級電容器串聯和并聯，以滿足電動汽車“電-電”電力耦合驅動平臺的總電壓匹配的要求，及比功率大于1kW/kg的要求。在多個單體超級電容器間應采用“多單體技術”以平衡多個單體超級電容器之間的電壓。

用超級電容器和動力電池組共同組成“電-電”電力耦合系統，即可充分發揮超級電容器的特點，超級電容器在電動機啟動時提供大功率的電流，迅速實現“停車，啟動”的控制，并保護動力電池組。另外電動汽車在滑行或下坡時，超級電容器能夠大容量快速充電，提高了電動汽車的節能效率。而電池組則會受到電池充電特性的影響，降低能量回收的效能。

電動汽車在使用超級電容器時，無污染，無噪聲，即使在工作電壓和環境溫度變化不良的條件下，充放電循環次數也可達萬次左右，顯著高于動力電池組的循環次數，我國已有用超級電容器獨立提供電能的電動汽車試驗車。

2.4.3.4　超級電容器的特點

（1）優點

①超級電容器可以大電流充電，當電動汽車（超級電容器城市公交試驗車）到達車站時，可以迅速充電，儲備電荷，然后在車輛行駛時，為車輛提供電能。超級電容器還可以大電流放電，通常在電動汽車上所采用的超級電容器的單位容量可達1500F以上，所以可以在電動汽車啟動時提供所需要的峰值電流，減小主電源（動力電池組）的負荷，延長動力電池組的壽命。

②超級電容器在“充放電”的過程中，可以實現快速充電，在數十秒到數分鐘時間內，即可完成對電容器的充電，充放電效率可達到98％（動力電池為70％左右）。整個“充放電”過程中，無任何化學反應過程，沒有任何噪聲，不對周邊環境造成污染，是一種非常理想的電能儲能器。超級電容器功率密度（1000～10000W/kg）高于現有的各種動力電池。

③工作溫度范圍很寬，在-40～50℃的溫度范圍內性能變化小，循環壽命長達到10萬次（其他電池為200～1000次）。性能穩定，制動能量回收率高達40％～70％。

④無毒性、無污染，結構簡單，重量輕，體積小，免維護。

（2）缺點

①超級電容器的能量密度遠低于其他動力電池的能量密度，裝備雙電層超級電容器的電動汽車，一次充電的行程不大于30km，只適合在行程10km或行駛5min的充電站點范圍內運行，所以需要頻繁充電，這也限制了超級電容器的靈活性及超級電容器汽車的行駛里程。

②活性炭的理論容量大于600F/g，目前商品化超級電容器使用的活性炭的實際容量低于200F/g，理論比能量為10～15W·h/kg，實際比能量為3～6W·h/kg，說明超級電容器還存在相當大的潛力，若活性炭的比容量能夠達到75～100F/cm³，超級電容器的體積和重量還可以明顯減小。目前超級電容器的價格為5美元/（W·h），遠期目標價格是1美元/（W·h），目前使用成本還較高。

③受電壓或溫度變化的影響，超級電容器的循環次數（壽命）將迅速下降，雙層超級電容器的電壓每上升0.1V，壽命減少一半；溫度每上升1℃，壽命減少一半。控制在25℃時可以達到預期壽命，若使用溫度為45℃，則預期壽命為2.5年；使用溫度為55℃，則預期壽命只有14個月。