2.4　超级电容器

2.4.1　概述

电动汽车上，要求储能器的能量密度为200～300W·h/kg，功率密度大于800～1000W/kg。目前，即使是高性能的锂离子电池的能量密度也仅在200W/kg左右。

动力电池不但体积和质量都大，而且在汽车启动、加速和爬坡时，电池会受到大电流放电的冲击，铅酸蓄电池不得在高倍率的条件下重复放电，锂电池在高倍率的条件下重复放电时，电池的寿命将急剧缩短。此外，在汽车下坡长距离制动时，动力电池还无法接受大电流的快速充电，从而降低制动反馈能量回收的效率。

在近代的电动汽车上，超级电容器被广泛采用。超级电容器的电能和动力电池的电能，可以与发动机-发电机的电能或与燃料电池电力的电能共同组成“电-电”电力耦合驱动系统，使得电动汽车的动力性能得到极大的改善和提高。并出现了单独以超级电容器为电源的超级电容的“纯电动汽车”。电容器分为普通电容器、超级电容器和电化学超级电容器等。

2.4.1.1　超级电容器

超级电容器又称为双层电容器，是一种电荷储存电器，当电源电压作用在超级电容器的两极时，电源的电荷储存在超级电容器中，其极限容量大于普通电容器3～4个数量级，达到10³F/g的大容量，比功率可达到1kW/kg级以上。超级电容器能够承受大电流、大功率的充放电。它具有较宽的工作电压及温度范围，循环寿命长。三种储能式装备的性能对比见表2-6。超级电容器的技术指标见表2-7。

①功率型超级电容器　功率密度≥8000W/kg，能量密度≥6W·h/kg，循环寿命≥500000次，安全性满足国家标准或规范。

②能量型超级电容器　功率密度≥3000W/kg，能量密度≥30W·h/kg，循环寿命≥10000次，安全性满足国家标准或规范。

2.4.1.2　超级电容器的主要性能和术语

（1）超级电容器的电压　超级电容器的主要电压指标为额定电压（直流）U_R和工作电压等。

①额定电压（直流）　超级电容器的额定电压U_R，是电容器在额定的温度范围内允许连续工作的电压。额定电压U_R是保证超级电容器寿命的电压值。

水基电解质超级电容器的额定电压U_R=1.4V，有机物电解质超级电容器的额定电压随着年代发展逐年提高，有U_R为2.3V、2.5V和2.7V等。

②工作电压　超级电容器的工作电压，是指在额定温度范围内允许的连续工作电压，在额定温度范围内，超级电容器可以以0至额定电压U_R之间任何电压值进行连续工作。超级电容器的寿命随着工作电压的上升而减短。

③工作电压与寿命的关系　超级电容器的寿命与工作电压和环境温度的关系如图2-32所示，随着超级电容器的电压及温度的升高，电解液的挥发和分解速率增加。在相同的温度条件下，电压增加0.1V，电容器的寿命将减少一半，所以适当地减小超级电容器的工作电压，对电容器的寿命具有重要作用。

（2）超级电容器的电流　超级电容器需要在高倍率的充放电条件下工作，要求必须可以承受高倍率的充放电的电流冲击，所以，超级电容器的额定电流和峰值电流与其他储能式装置额定值有所不同。

①额定电流　超级电容器在充电时电压达到额定电压后，维持30～60s，在5s内将超级电容器的端电压放电降低到额定电压的一半时，所放出的电流是额定电流。

②峰值电流　超级电容器在充电时电压达到额定电压后，保持30～60s，在1s内将超级电容器的端电压放电降低到额定电压的一半时，所放出的电流是峰值电流。

③漏电流　超级电容器组各个单体电容器保持电荷的能力有所不同，静置时间较长时，保持电荷能力较差的电容器的电荷会泄漏。充电时，漏电流小的电容器最先达到充电终点，而漏电流大的电容器仍然需要继续充电。放电时，漏电流大的电容器最先将电荷放完，达到充电终点，而漏电流小的电容器仍然需要保持剩余的电荷。

（3）超级电容器的电容量　超级电容器容纳电荷的电子器件是由两个彼此绝缘的平板形金属电容板组成的，在两块电容板之间用绝缘材料隔开。双层超级电容器储能的容量与其双层的有效面积大小成正比，双层超级电容器比表面面积大，可达到100％。双层超级电容器的容量和电容板之间的间隙大小成反比，为了减小电容板间的间隙，使用纳米管结晶材料制造的超薄型电容板和隔膜，在电容器两个极板之间的距离只为纳米级。电解质的双层电荷是以离子形式出现的。电容器的电容量为

　　 （2-2） 　　

式中　ε——电介质的介电常数，F/m；

A——电极表面积，m²；

d——电容器间隙的距离，m。

根据电化学原理，导体和电解质接触时，在电解质界面两侧（一层在电极上，另一层在电解质界面外）产生稳定的、对称排列但极性相反的双层电荷。双层超级电容器的电容量的计算公式为

　　 （2-3） 　　

式中　q——界面双面的电荷量，C；

ф_M——界面固体侧的电位，V；

ф_S——界面液体侧的电位，V；

ф_a——电容器充电后的电位，V；

ф₀——电容器充电前的起始电位（新电容器起始电位ф₀=0），V。

（4）超级电容器的储存能量　当超级电容元件进行充电时，随着外电源作用于电容器上的电压增高，超级电容器从电源上获得电能，电容器的能量增大；当超级电容器进行放电时，电容器上的电压降低，超级电容器向负载释放电能，电容器的能量降低。在电容器充电时，电容器的储存能量为E。

　　 （2-4） 　　

式中　U_u——超级电容器的最大工作电压，V。

双层超级电容器的电容量从1F至几千法，工作电压由几十伏至几百伏，放电电流可高达几千安，功率密度大于1kW/kg，充放电次数高达10万次，工作温度范围为-35～75℃。当电动汽车在启动和加速时短时间需要大电流，用超级电容器提供大电流，可以显著减轻动力电池组的负荷，延长动力电池组的寿命。

例如一个2.7V、600F的超级电容器，最大储能量为2187J，放电至额定电压的一半时的剩余能量为1640J，但超级电容器的尺寸只有28mm×60mm×90mm。又如一个2.7V、5000F的超级电容器，最大储能量是18225J，放电到额定电压的一半时的剩余能量是13668J，但超级电容器的尺寸只有47mm×60mm×165mm。所以，超级电容器储存的能量是非常大的。

（5）超级电容器的比能量与能量密度　超级电容器的储能量，除以超级电容器的质量作为超级电容器的比能量，除以超级电容器的体积作为超级电容器的能量密度。某些超级电容器的比能量只有5.82W·h/kg，能量密度只有7.11W·h/L。铅酸蓄电池的比能量为30W·h/kg，镍氢电池比能量为60～80W·h/kg，锂离子电池的比能量能达到100W·h/kg。超级电容器的比能量明显低于各种动力电池。

（6）超级电容器的比功率与功率密度　超级电容器在匹配负载下产生的电效应与热效应各半时的放电功率，除以超级电容器的质量作为超级电容器的比功率，除以超级电容器的体积作为超级电容器的功率密度。某些超级电容器的比功率达到5.24kW/kg，功率密度达到6.4kW/L。而镍-氢电池的比功率是200～300W/kg，锂离子电池的比功率是400W·h/kg。超级电容器的比功率远远高于各种动力电池。

因为超级电容器的能量和功率特征与动力电池不一样，所以在电动汽车上通常采用超级电容器与动力电池组性能互补的策略，在电动汽车启动或加速时，利用超级电容器高倍率的放电特性来释放高倍率电流，保护动力电池组不会因为高倍率放电而受到损害。在电动汽车以巡航速度行驶时，用动力电池组的电能供电，并为超级电容器进行充电，为下一次高倍率的放电储存电能，充分发挥超级电容器及动力电池组的特性和功能。

（7）超级电容器的均压问题　单体超级电容器的电压范围是1～3V，电动汽车需要高电压和大功率的超级电容器组来提供所需要的电源，通常采用串联和并联的组合来实现。超级电容器组的电压是由串联的超级电容器的个数来确定的，超级电容器组的功率则是由并联的超级电容器的个数进行确定的。要求每个单体超级电容器的性能应该是“一致性”的。

因为制造误差和自放电率不同，单体超级电容器之间的容量偏差为-10％～30％，上下偏差1.44。与动力电池类似，在超级电容器组充电时，容量偏差最小的超级电容器最先达到额定电压，而容量偏差最大的超级电容器同时只达到69％的额定电压；其储能量仅为69％，是最小的储能量。当容量偏差最小的超级电容器最早达到额定电压后，继续向它充电，会因电解液的消耗而降低其性能，并影响超级电容器组中其他单体电容器的充电。在超级电容器组放电时，漏电流大的单体超级电容器，最先将电荷放光达到放电终了，而漏电流小的超级电容器，仍然保留较多的电荷，从而影响了超级电容器组中其他单体电容器的放电。所以在使用超级电容器组时，必须选择一致性好的单体超级电容器来组合。

（8）超级电容器的寿命

①使用寿命　超级电容器在充放电过程中会发热，其性能对温度比较敏感，温度升高对超级电容器的性能有显著的影响。

超级电容器在25℃的环境温度时工作寿命一般为90000h，在60℃的环境温度时工作寿命一般为4000h，通常是温度每下降10℃，超级电容器的寿命增加一半。超级电容器的储存温度范围为-40～60℃。影响超级电容器寿命的原因是电解液的流失随温度的升高而增高，当超级电容器的电容量降低到额定容量的20％时，超级电容器的寿命就达到终了。

②循环寿命　超级电容器用20s恒压充电到额定电压，通过间歇10s后，进行放电，当电压下降到一半时，为一个充放电循环。超级电容器充放电循环通常可达50次。

2.4.2　超级电容器的结构、工作原理、类型和电解质

2.4.2.1　超级电容器的结构和工作原理

（1）超级电容器的结构　如图2-33是双层超级电容器（EDLC）的基本结构。双层超级电容器的一对电容板上安装有固体活性物质，在两个电容板之间，装有电解液，以及将正极和负极隔离的绝缘层，电极采用孔径为50～100μm的炭粒子多孔材料制成，在电极/电解界面形成的平面当作隔离电荷的屏障。电解界面的两侧带有极性相反的电荷，电荷沿电容板与电解界面成对排列形成一个双层电容器。超级电容器的正负极上的电荷，在数量上要比普通电容器大得多。

（2）超级电容器的工作原理　超级电容器的两个电极浸泡在电解液中。当超级电容器的端电压为0时，电极上无电荷，超级电容器中的离子自由分布。当超级电容器的两个电极施加电压后，在正负电极表面分别聚集了正负电荷。在正电荷的电力作用下，吸附负极表面与电解液中的阴离子，向正极聚集，并在正极形成和正负电荷相对称的双电层。同时在负电荷的电力作用下，吸附正极表面以及电解液中的阳离子，向负极聚集，并在负极形成与负正电荷相对称双电层。超级电容器在充电时用电极界面上产生的电吸附来储存电能，在放电时用氧化还原反应来释放电能（图2-34）。

2.4.2.2　超级电容器的类型和电解质

按超级电容器的电极材料分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器、高分子聚合物电极超级电容器、碳镍体电极超级电容器、碳金属纤维复合物电极超级电容器、金属氧化物电极超级电容器，以及曾经出现过以黄金电极（金电容器）超级电容器等。

（1）超级电容器的类型

①碳电极双电层超级电容器　碳电极双电层超级电容器采用多孔碳制成的碳纤维或碳布作为电极，用碳纤维或碳布为电极的活性面积层，可以达到2500m²/g。碳电极的容量是100F/g。碳电极双层超级电容器的电荷储存在电极和电解质形成的双层结构中，理论上存储的电容大小和电极面积成正比，正负极所存储的电荷显著超过电解电容器的电荷。碳电极的主要优点为原料广泛、活性面积大、制造技术成熟、价格低廉等，但随着活性面积的增加，其稳定性和导通性会降低，碳电极双层超级电容器充放电曲线如图2-35所示。

采用纳米碳管制造的碳薄膜电极，厚度只有25.4μm，比电容达到49～113F/g，电容密度达到39.2～90.4F/cm³。

②金属氧化物电极超级电容器　金属氧化物电极超级电容器是以氧化铱（IrO₂）、氧化钌（RuO₂）等作为电极活性物质，应用法拉第效应原理储存电能。在发生氧化还原反应过程中进行电子迅速传递。以氧化钌（RuO₂）超级电容器的充电与放电为例，当金属氧化物（RuO₂）超级电容器充电时，一个电极吸附氢离子，另一个电极释放氢离子；当金属氧化物电容器放电时，以前吸附氢离子的电极转为释放氢离子，另一个原来释放氢离子的电极转为吸附氢离子。超级电容器在充放电过程中，氢离子被吸附/被释放，进入/离开，在氧化钌的晶体内部循环交替进行，不管是充电或放电，电解质中氢离子的浓度总是保持不变。氧化钌（RuO₂）的化合价在反应过程中会在3～6价之间变化，相当于动力电池中的化学反应效应。

所以，金属氧化物电极超级电容器兼有双层电容器和动力电池的效应，电能的储存密度超过双层超级电容器。

金属氧化物氧化钌（RuO₂）电极具有高导通率、低衰退率及良好的可逆性，RuO₂电极的容量可达到750F/g，远远大于碳电极双层超级电容器100F/g的容量。质量电导率比碳电极双层超级电容器大2个数量级，充电性能好、循环寿命长。但是金属氧化物氧化钌（RuO₂）超级电容器存在额定电压较低、采用的电解质有限制等缺点（钌在地球上储存量稀少，氧化钌成本太高），所以难以实现大规模产业化生产。金属氧化物电极超级电容器充放电单体电压变化如图2-36所示。

③导电高分子聚合物电极超级电容器　导电高分子聚合物电极超级电容器中的导电高分子聚合物，通过杂化处理，应用法拉第准电容效应原理储存电能。聚合物在充电与放电时的氧化还原反应过程中，在导电高分子聚合物上迅速产生n型或p型掺杂以及去掺杂的氧化还原反应过程，使导电高分子聚合物储存和释放高密度的电荷。所以储能方式与动力电池相类似，被称为“准”电容。导电高分子聚合物电极超级电容器，具有高的工作电压及电能的储存密度、比能量和比功率，超过其他形式的超级电容器。

但高分子聚合物材料在循环充放电过程中，会发生体积膨胀及老化，在长期工作时会出现性能恶化、稳定性较差和寿命较短等缺点。导电高分子聚合物电极超级电容器充放电单体电压变化如图2-37所示。

④碳镍体系电极超级电容器　碳镍体系电极超级电容器和其他超级电容器不同之处是，只有一块碳电极，而另外一块是金属电极，又称为混合电极型超级电容器。当一块电极的电压产生变化时，另一块电极的极板不会发生极化或发生较小的极化，这样能够充分应用法拉第“准电容”效应原理提高电容器储存的电能，碳镍体系也叫作“双电层-准电容器”。碳镍体系超级电容器采用碳作为一个电极，氧化镍作为另一个电极，综合了双电层电容器与准电容的储能原理，碳镍体系超级电容器的结构如图2-38所示。

（2）超级电容器的电解质　按照超级电容器采用的电解质不同可分为无机电解液超级电容器和有机电解液超级电容器。

①水溶液电解质　在超级电容器中通常采用水溶液电解质，水溶液电解质的比表面积>1000m²/g，振实密度>0.4g/cm³，比电容达到240F/g；内阻非常低，电导率高，超级电容器可以获得较高的比功率。水溶液电解质的提纯、干燥等工艺比较简单，成本较低廉。

但水溶液电解质的单体电压不超过1V，使得采用水溶液电解质的超级电容器的比能量很难提高。

②有机电解质　有机电解质可以提高超级电容器的电压，以氰化甲烷、碳酸丙烯等作为电解质，比表面积>1000m²/g，振实密度>0.3g/cm³，比电容达到150F/g。单体电压可超过2V，并可达瞬间到2.7V。超级电容器的储存能量和电压平方成正比（E=0.5CU²），采用有机电解质可以提高超级电容器的比能量，使得超级电容器的比能量达到18W·h/kg，是较理想的电解质（表2-8）。

但有机电解质超级电容器的电离比较困难，内阻较高，是水溶液电解质的20～50倍，所以内阻比较大，内阻高表现为超级电容器的功率会下降［P=U²/（4R）］。有机电解质对电极材料有腐蚀作用，需要采用特殊净化工艺和对电极涂抹保护层，制造工艺比较复杂。

2.4.3　超级电容器的管理系统

超级电容器的管理系统的主要功能是建立超级电容器的模型和等效电路模型，超级电容器的电压、电流等电能数据和热量数据等的检测、采集及监管；控制超级电容器的充放电以及解决超级电容器组中单体超级电容器的“不一致”的均衡问题和热量管理等。通过通信系统在显示屏上显示电池的电压、电流等可视数据，为驾驶员驾驶操控电动汽车提供行车参考的技术数据。

2.4.3.1　超级电容器的等效电路模型

超级电容器的等效电路模型是应用通常的电器元件，用于研究和描述超级电容器的外特性，以解决对超级电容器的理论分析及控制策略研究的要求。超级电容器有多种等效电路，如下所示。

（1）充放电等效电路模型

①模型概述　在超级电容器的充放电等效电路模型中，超级电容器用一个简单的RC回路来描述，在RC回路的图形中，C是理想超级电容器，U_SCAP为超级电容器的工作电压，i为充放电时的电流。

a.充电时U_L为电源电压，R₁为充电限流电阻，R_ESR为电容内阻。

b.放电时U_c0为初始电压（超级电容器C在t=0时的电压），R_ESR为电容内阻，R₀是负载电阻。

充放电等效电路模型结构简单，可以在一定的精度范围内对超级电容器的特性进行描述。但在基本的充放电等效电路模型中，因为超级电容器的容量C和电容内阻R_ESR为常数，恒定不变，和实际情况不符，应用到动态特性描述时，降低了对超级电容器动态特性描述的准确性（图2-39）。

②等效电路的充电电压　将超级电容器简化为RC回路，等效电路充电时的工作电压U_SCAP可用式（2-5）计算。

　　 （2-5） 　　

式中　U_c0——超级电容器C在t=0时刻的电压，V；

U_L——超级电容器C在充电时的电压，V；R₀——负载电阻，Ω；

R_ESR——电容器的等效内阻，Ω；

C——理想工作电容，F。

③等效电路的放电电压　等效电路放电时的工作电压U_SCAP可用式（2-6）计算。

　　 （2-6） 　　

（2）变参数等效电路模型　电动汽车的电力驱动系统的实际工况非常复杂，超级电容器实际工作在大电流脉动状态下，电压、电流、环境温度均处于波动状态，基本的等效电路无法适应超级电容器的动态特性描述。超级电容器在工作时的动态等效电路模型是根据理想电容器的容量C、等效串联电容内阻R_ESR的电阻和超级电容器自放电电阻R_p的电阻（自放电电阻R_p的电阻值较大）随超级电容器工作环境变化而变化的函数来建立的（图2-40）。

超级电容器变参数等效电路模型的数学描述如下。

①电流

　　 （2-7） 　　

式中　U_c——超级电容器的电压，V；

R_p——超级电容器的自放电电阻，Ω。

②工作电压

U_SCAP（t）=U_c-IR_p　　（2-8）

超级电容器充放电特性如图2-41所示。

2.4.3.2　超级电容器的均压问题

单体超级电容器因为材质不均匀、有制造误差、电容器内阻不同和自放电率不同等因素的影响，各个单体超级电容器的电压会出现“不一致”性，相互之间的容量偏差量可达到-10％～+30％，上下偏差±1.44。在大量使用串联超级电容器组时，应使用电容量基本一致的超级电容器，但实际上比较困难，且会提高超级电容器的成本。

（1）引起超级电容器组“不一致”的原因

①超级电容器的电容量的“不一致”　当多个电容量不一致的超级电容器串联使用时，电容量最小的超级电容器最先达到额定电压，而电容量最大的超级电容器仅达到69％左右的电压，它的储能量只有额定储能量的0.69左右。这直接影响了超级电容器组的充放电的电容量，并且降低超级电容器组的寿命。

②超级电容器的等效内阻R_ESR的“不一致”　当多个等效内阻不一致的超级电容器串联使用时，在充放电过程中，电容器等效内阻R_ESR大的单体电容器最先达到充放电的终点，而且单体电容器等效内阻R_ESR小的则充放电不充分。一般等效内阻R_ESR相对较大，随着反复充放电的次数增加，超级电容器的性能也逐渐衰减，等效内阻R_ESR由于超级电容器性能的衰减，不一致性也越来越大。

③超级电容器的漏电流的“不一致”　超级电容器组各个单体电容器保持电荷的能力有所不同，在较长静置时间时，保持电荷能力较差的电容器的电荷会发生泄漏。充电时，漏电流小的电容器最先达到充电终点，而漏电流大的电容器依旧需要继续充电。放电时，漏电流大的电容器最先将电荷放完，达到放电终点，而漏电流小的电容器仍旧保持剩余的电荷。

（2）超级电容器的动态均压电路　电动汽车行驶过程是始终处于动态运行状态，对超级电容器的充放电的电能变化，通常采用动态均压电路，以达到电动汽车动态运行状态的要求。在超级电容器的整个充放电的过程中，均压电路始终保持每个单体超级电容器的电压均压。动态均压电路具有自动调节时间短、电压分配均匀、寄生功率小等特点。

①动态均压电路　通用动态均压电路如图2-42所示，其中用晶体管Q₁、Q₂与电阻R₅组成“全互补射极跟随器”，超级电容器的电压通过电阻R₃、R₄，反馈到“全互补射极跟随器”输入端处，影响“全互补射极跟随器”的电压输入。

当两个超级电容器C₁和C₂的电压出现微小的偏差时，运算放大器A迅速做出反应，受R₃、R₄构成的反馈电阻所产生的反馈电压作用，当运算放大器输出电压达到迫使“全互补射极跟随器”导通时，将运算放大器产生的开环增益，强加到电阻R₅上，迫使超级电容器C₁和C₂之间产生均压电压。

特点是反馈电阻R₃、R₄连接到“全互补射极跟随器”输入端处，将通过计算放大器A运算数据输入到“全互补射极跟随器”，超级电容器C₁和C₂之间出现微小的差异并可能同时出现外电路干扰时，均压电路随时都可以立即做出反应，保持均压电路始终处于动态控制状态，但增加了在均压电路上不必要的损耗。

②节能型动态均压电路　节能型动态均压电路如图2-43，其中用晶体管Q₁、Q₂及电阻R₅组成“节能型全互补射极跟随器”，经过电阻R₃、R₄反馈的电压，连接至“全互补射极跟随器”输出端处。对“全互补射极跟随器”输出的电压不产生影响，仅对电阻R₅产生影响。

当两个超级电容器C₁和C₂的电压出现微小的偏差时，运算放大器A做出反应，当运算放大器输出电压达到迫使“全互补射极跟随器”导通时，电阻R₃、R₄反馈的电压，将运算放大器产生的开环增益加至电阻R₅上，进行自动调节，使超级电容器C₁与C₂之间形成均压电压。

特点是反馈电阻R₃、R₄，连接到“全互补射极跟随器”输出端处，通过计算放大器A运算数据输入至全互补射极跟随器的电压，受R₃、R₄构成的反馈电阻的反馈电压影响，自动控制作用到电阻R₅上的电压，只有在两个超级电容器C₁与C₂之间电压差偏大超过20～30mV时才能工作，而C₁与C₂之间电压差偏低于20～30mV时不工作，即电阻R₅上无电流通过，可以有效地减少均压电路上的能耗。

2.4.3.3　超级电容器在电动汽车上的应用

（1）超级电容器的技术性能　电动汽车要求单体超级电容器的容量达到1500F以上，以满足电动汽车峰值功率输出的要求。在电动汽车上最常采用的超级电容器是以活性炭作为正负极的“炭基超级电容”，以氧化镍为正极、活性炭为负极的“杂化超级电容器”。其中“杂化超级电容器”的体积小于“炭基超级电容”的体积，在电动汽车上安装和使用更为方便。

超级电容器具有充放电快速、功率释放能力强、清洁无污染、寿命长等优点。可以作为电动汽车与燃料电池汽车的主电源或辅助电源，或与动力电池组及燃料电池共同组成“电-电”耦合电力供应系统，可以满足燃料电池汽车和混合动力汽车提高峰值功率的要求，并能够减小动力电池组的容量和体积，保护和延长动力电池组的寿命。

（2）超级电容器的充电和放电　超级电容器在充电和放电时，受放电电流及放电时温度的影响较大，如图2-44和图2-45所示为UCT型超级电容器的放电特性。

在电动汽车上，需要将多个单体超级电容器串联和并联，以满足电动汽车“电-电”电力耦合驱动平台的总电压匹配的要求，及比功率大于1kW/kg的要求。在多个单体超级电容器间应采用“多单体技术”以平衡多个单体超级电容器之间的电压。

用超级电容器和动力电池组共同组成“电-电”电力耦合系统，即可充分发挥超级电容器的特点，超级电容器在电动机启动时提供大功率的电流，迅速实现“停车，启动”的控制，并保护动力电池组。另外电动汽车在滑行或下坡时，超级电容器能够大容量快速充电，提高了电动汽车的节能效率。而电池组则会受到电池充电特性的影响，降低能量回收的效能。

电动汽车在使用超级电容器时，无污染，无噪声，即使在工作电压和环境温度变化不良的条件下，充放电循环次数也可达万次左右，显著高于动力电池组的循环次数，我国已有用超级电容器独立提供电能的电动汽车试验车。

2.4.3.4　超级电容器的特点

（1）优点

①超级电容器可以大电流充电，当电动汽车（超级电容器城市公交试验车）到达车站时，可以迅速充电，储备电荷，然后在车辆行驶时，为车辆提供电能。超级电容器还可以大电流放电，通常在电动汽车上所采用的超级电容器的单位容量可达1500F以上，所以可以在电动汽车启动时提供所需要的峰值电流，减小主电源（动力电池组）的负荷，延长动力电池组的寿命。

②超级电容器在“充放电”的过程中，可以实现快速充电，在数十秒到数分钟时间内，即可完成对电容器的充电，充放电效率可达到98％（动力电池为70％左右）。整个“充放电”过程中，无任何化学反应过程，没有任何噪声，不对周边环境造成污染，是一种非常理想的电能储能器。超级电容器功率密度（1000～10000W/kg）高于现有的各种动力电池。

③工作温度范围很宽，在-40～50℃的温度范围内性能变化小，循环寿命长达到10万次（其他电池为200～1000次）。性能稳定，制动能量回收率高达40％～70％。

④无毒性、无污染，结构简单，重量轻，体积小，免维护。

（2）缺点

①超级电容器的能量密度远低于其他动力电池的能量密度，装备双电层超级电容器的电动汽车，一次充电的行程不大于30km，只适合在行程10km或行驶5min的充电站点范围内运行，所以需要频繁充电，这也限制了超级电容器的灵活性及超级电容器汽车的行驶里程。

②活性炭的理论容量大于600F/g，目前商品化超级电容器使用的活性炭的实际容量低于200F/g，理论比能量为10～15W·h/kg，实际比能量为3～6W·h/kg，说明超级电容器还存在相当大的潜力，若活性炭的比容量能够达到75～100F/cm³，超级电容器的体积和重量还可以明显减小。目前超级电容器的价格为5美元/（W·h），远期目标价格是1美元/（W·h），目前使用成本还较高。

③受电压或温度变化的影响，超级电容器的循环次数（寿命）将迅速下降，双层超级电容器的电压每上升0.1V，寿命减少一半；温度每上升1℃，寿命减少一半。控制在25℃时可以达到预期寿命，若使用温度为45℃，则预期寿命为2.5年；使用温度为55℃，则预期寿命只有14个月。