項目二
新能源汽車電力電子元器件

任務一 超級電容原理與應用

一、任務目標

◆能夠描述電容的作用。

◆知道電容與超級電容的不同點。

◆能理解超級電容的基本結構與工作原理。

◆能使用示波器測量超級電容充放電的波形，分析出其工作特性。

◆正確規范地使用實訓板，養成良好的新能源汽車維修職業素養。

二、課前資訊

由老師播放2.1.1視頻，然后完成以下題目。

得分：__________評分規則：每空1分，少填、錯填一空扣1分，共5分。

1）超級電容的作用類似于蓄電池。（　）

2）超級電容的電容量非常小。（　）

3）超級電容的充放電速度非常快。（　）

4）超級電容的制造成本比普通的鋰電池的成本高。（　）

5）超級電容與普通的電容結構和材料一樣。（　）

三、任務導入

超級電容是發展比較迅速的一種新型儲能裝置，廣泛應用在新能源汽車制動能量回收系統中。新能源汽車在制動或減速的過程中，通過電機將汽車動能轉換成電能，并儲存在超級電容內。汽車重新起步或加速時，超級電容和動力蓄電池同時對電機供電。

本任務實訓通過搭建電路，認識超級電容充放電過程，學習超級電容的原理以及特性，并通過規范的操作，養成良好的職業素養。

四、知識準備

知識鏈接1：電容的認知

電容是電容器的簡稱，是電子電力領域中不可缺少的電子元件，主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、隔直流等電路中。電容最常見的結構就是兩塊平行金屬板，如圖2-1-1所示。兩塊金屬板（一般稱為極板）之間不導通，極板之間的絕緣材料可以是空氣、油等絕緣物。

同時，電容也是表征電容器儲存電荷能力的物理量，一般記為C，國際單位是法拉（F）。如果一個電容器儲存1C的電荷量時，兩極板間的電勢差是1V，則這個電容大小為1F，即C=Q/U。

電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，它與電容極板的面積S、極板間距d和極板間的絕緣介質有關。一般來說，極板面積越大，極板間距越小和極板間介質絕緣性越好，則電容越大。常見的平行板電容器，電容的計算公式為C=εS/d，ε為極板間介質的介電常數，S為極板面積，d為極板間的距離。

知識鏈接2：電容的充放電過程

充電過程：電容與直流電源相接，如圖2-1-2所示。電路中有電流流動，兩塊極板分別獲得數量相等、正負相反的電荷量。電容充電過程中，其兩端的電壓Uc逐漸增大。一旦電容兩端電壓UC與電源電壓U相等，充電完成，此時電路中的電流停止流動，電路可視為開路。

放電過程：電容與電源斷開，并連接到電阻RD，電容通過電阻RD進行放電，兩塊極板之間的電壓將會逐漸下降為零，UC=0，如圖2-1-3所示。

在圖2-1-2和圖2-1-3中，RC和RD的電阻值分別影響電容的充電和放電速度，這是因為電阻控制了充放電電流的大小。電阻值R和電容值C的乘積稱為時間常數τ，這個常數描述電容的充電和放電速度。電容值或電阻值越小，時間常數也越小，電容的充電和放電速度就越快，反之亦然。圖2-1-4是電容充放電的曲線圖。

知識鏈接3：超級電容的結構原理

超級電容是指介于傳統電容和蓄電池之間的一種新型儲能裝置，通過極化電解質來儲能，允許大電流快速充放電。超級電容的結構如圖2-1-5所示，由高比表面積的多孔電極材料、集流體、多孔性電池隔膜及電解液組成。

當超級電容接通電源后，在電場力的作用下，吸引電解液中的陰離子向正極聚集，同時正極電解液中的陽離子向負極聚集，各自在正負極板上形成間隔非常小的離子層。放電時，正負離子離開固體電極的表面，返回電解液本體。

知識鏈接4：超級電容與一般電容的區別

電容是一種儲存電荷的“容器”，需要在外加電壓的作用下才能儲存電荷。不同的電容在相同大小的電壓作用下，儲存的電荷量也可能不相同。超級電容的電容大，儲存電荷量的能力大；其次，超級電容的充電速度快，充電10s～10min可達到其額定容量的95%以上；循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達數萬次，并且沒有“記憶效應”；大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流能量循環效率高于90%。

知識鏈接5：超級電容在新能源汽車上的應用

超級電容充電快，耐充電，能量轉換效率高，同時存在高自放電的特性，可以作為新能源汽車的儲能裝置，最常用的領域當屬新能源客車，宇通、金龍、金旅、海格、中車等知名企業紛紛將超級電容成功應用于新能源客車（圖2-1-6）。

在新能源客車領域，超級電容主要應用在城市混合動力客車制動能量回收系統。由超級電容模塊組成的制動能量回收系統能夠吸收并存儲車輛在制動時產生的全部動能，并在客車起動或加速時將這些能量釋放出來，從而使車輛節省能耗。

超級電容的缺點：一是安全性，過快的放電速度和過低的內阻，如果設計不好，本身就蘊含著“能量突然大爆發”的風險；二是較低的工作電壓，制約了它在驅動汽車上的應用。不過隨著技術的進步，這些問題都可以解決。

五、任務實施

1.實訓設備認知

得分：__________評分規則：每空1分，少填、錯填一空扣1分，共16分。

在標號對應空格處填寫實訓板組成部件的名稱及作用。

2.實訓設備檢查與準備

檢查設備并規范操作后填寫下表。

得分：__________評分規則：每項1分，少填、錯填一項扣1分，共11分。

3.識讀電路圖

得分：__________評分規則：每空1分，少填、錯填一空扣1分，共6分。

識讀電路圖2-1-7。

1）超級電容充電過程中，電流的流動方向：電池正極→二極管→__________→電流表→電池負極。

2）超級電容放電過程中，電流的流動方向：超級電容的正極→__________→__________→電流表→超級電容的負極。

3）二極管反向偏置處于截止狀態，保護電路不受損壞。

4）電流表與超級電容__________（串聯/并聯），通過電流表示數可以讀出流過超級電容的電流大小。

5）電壓表與超級電容__________（串聯/并聯），通過電壓表示數可以讀出超級電容兩端的電壓大小。

6）開關__________（S1/S2）控制超級電容充電或者放電。

4.電路搭建及驗證

得分：__________評分規則：每空0.5分，少填、錯填一空扣0.5分，共35分；正確畫出圖像得2分，視情況可扣0～2分，共8分；正確連接電路圖得4分，視情況可扣0～4分，共4分；總分47分。

根據電路圖正確連接電路模塊。圖2-1-8為模塊和實訓板。

（1）探究超級電容充電過程中，在充電電壓不變條件下，超級電容兩端電壓與電流的關系S1預先接到充電檔位，接通電源瞬間開始計時，記錄不同時刻電壓表與電流表的數值。

電源接通瞬間，超級電容兩端電壓為__________V，電流為__________A；

5s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

10s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

15s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

20s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

25s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

30s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

35s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

40s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

45s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

50s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

55s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

60s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A。

根據所得數據，繪制充電過程中超級電容的特性圖（圖2-1-9）。

由此實驗可知，在充電過程中，超級電容相當于電路中的__________（電源/負載），電壓由__________（高/低）變__________（高/低），變化速度越來越__________（快/慢），最后接近__________V；電流由__________（高/低）變__________（高/低），變化速度越來越__________（快/慢），最后接近于__________A。

（2）探究超級電容放電過程中，超級電容兩端電壓與電流的關系S1接通放電檔位的瞬間開始計時，并且記錄不同時刻電壓表與電流表的數值。

超級電容開始放電瞬間，兩端電壓為__________V，電流為__________A；

5s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

10s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

20s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

30s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

40s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

50s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

60s后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

2min后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

3min后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

4min后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

5min后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A；

6min后，超級電容兩端的電壓為__________V，電流為__________A。

根據所得數據，繪制放電過程中超級電容的特性圖（圖2-1-10）。

在放電過程中，超級電容相當于電路中的__________（電源/負載），電壓由__________（高/低）變__________（高/低），變化速度越來越__________（快/慢），最后電壓接近于__________V。電流由__________（高/低）變__________（高/低），變化速度越來越__________（快/慢），最后接近于__________A。

六、5S檢查

得分：__________評分規則：每項1分，少填、錯填一項扣1分，共5分。

七、課后習題

得分：__________評分規則：每空1分，少填、錯填一空扣1分，共10分。

1.選擇題

（1）當電容兩端的電壓增加時，其儲存的電荷（　）。

A.增加

B.減小

C.保持不變

D.波動

（2）電容兩端的電壓增加一倍時，則電容的大小（　）。

A.不變

B.減半

C.加倍

D.4倍

（3）以下哪項措施可以增大電容值？（　）。

A.極板間距增加

B.極板間距減小

C.極板面積減小

D.兩端電壓增加

（4）超級電容最突出的特點是__________（　）。

A.電容值大

B.額定電壓大

C.體積大

D.壽命長

（5）超級電容在充電時用（　）吸附電荷來儲存電能。

A.極板

B.隔膜

C.電解質

D.A和B

2.判斷題

（1）電容充電完成后，電路中的電流停止流動，電容可等效為開路。（　）

（2）超級電容主要由極板、電解液、隔膜等組成。（　）

（3）超級電容充電速度快，但使用壽命短。（　）

（4）電容極板面積越大，極板間距越小和極板間介質絕緣性越好，則電容越大。（　）

（5）超級電容在儲存過程中發生化學反應，儲能過程是可逆的。（　）

評分匯總