黃曉斌， 張 熊， 韋統(tǒng)振， 齊智平， 馬衍偉

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049)

超級電容器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀

黃曉斌1,2， 張 熊1,2， 韋統(tǒng)振1,2， 齊智平1， 馬衍偉1,2

(1. 中國科學院電工研究所， 北京 100190； 2. 中國科學院大學， 北京 100049)

超級電容器是近幾十年發(fā)展起來的一種新型儲能器件，具有功率密度大、循環(huán)壽命長、低溫性能好等特點，已在電力、交通、工業(yè)等領域得到了廣泛的應用。本文介紹了超級電容器的種類和基本原理，以及近年來國內外超級電容器產業(yè)的發(fā)展和市場現(xiàn)狀。隨后對超級電容器的主要應用領域及其現(xiàn)狀進行了綜述。最后針對超級電容器能量密度相對偏低的缺點，提出了相關的研究和發(fā)展建議。

超級電容器； 電力； 交通； 工業(yè)； 機械

1 引言

隨著全球經濟的迅速發(fā)展，化石能源的快速消耗和環(huán)境污染的日益惡化，人類對可持續(xù)和可再生能源的需求日益增加，激發(fā)了科研人員對高效、清潔的能量轉換和儲存器件的研究。在眾多的儲能器件中，超級電容器是20世紀七八十年代發(fā)展起來的一種新型儲能器件，具有優(yōu)良的脈沖充放電性能，功率密度高于蓄電池，能量密度又高于傳統(tǒng)電容，傳統(tǒng)電容器、電池和超級電容器的Ragone圖比較如圖1所示。此外，超級電容器充放電效率高(大于90 %)，壽命超長(百萬次以上)，適用溫度范圍寬，可在-40～70℃。因具有這些獨特的性能，超級電容器吸引了眾多科研人員的關注，也使得超級電容器在電力、工業(yè)、交通等領域，包括現(xiàn)今無處不在的移動電子設備、電力系統(tǒng)的元器件和新能源汽車下一代能量儲存系統(tǒng)等方面，取得了不少商業(yè)化的應用。

本文將按種類及其儲能原理對超級電容器進行介紹，隨后介紹當前國內外超級電容器領域的市場現(xiàn)狀，以及超級電容器的主要應用領域和相關進展，最后，對超級電容器的發(fā)展狀況進行總結，并對超級電容器的發(fā)展提出了相關建議。

圖1 傳統(tǒng)電容器、電池和超級電容器的Ragone圖比較[1]Fig.1 Comparison of Ragone graphs of traditional capacitors, batteries and supercapacitors[1]

2 超級電容器的分類

根據(jù)儲能機制的不同，超級電容器可被分為雙電層電容器和贗電容器兩類，本章對這兩類超級電容器及其基本工作原理進行介紹。

2.1雙電層電容器

雙電層電容器基本工作原理：雙電層電容器的內部基本構造如圖2(a)所示，隔膜將浸潤了電解液的兩電極分隔開。在充電時，正負電荷分別在兩電極表面積累，兩電極分別帶正、負電，從而形成電容效應；放電時，電極表面積累的電荷又回到電解液中，在外電路產生放電電流。

碳材料具有電導率高、比表面積大、穩(wěn)定性好、電位窗口寬等特點，在儲能器件領域受到廣泛的研究和應用[2]。目前超級電容器研究和應用較多的碳材料，包括活性炭、石墨烯、碳納米管、模板碳等[3]。不同碳材料的微觀形貌和理化性質不同，電化學儲能性能有所差別，不同碳材料的比電容對比如圖2(b)所示。

圖2 超級電容的結構示意和碳材料比電容對比Fig.2 Schematic diagram of supercapacitor structure and comparison of specific capacitance

2.2贗電容器

贗電容器，也稱法拉第電容器，其基本工作原理：贗電容器主要以金屬氧化物或導電聚合物作為電極。充電時，在電極和電解液表面發(fā)生快速的氧化還原反應或法拉第過程，因電極材料的氧化還原電位發(fā)生改變，兩電極之間產生電勢差，形成贗電容效應；放電時，電極又與電解液發(fā)生與充電過程相反的逆反應，兩電極間電勢差降低，實現(xiàn)放電。

目前研究較多的贗電容器材料包括，金屬氧化物、金屬氫氧化物、導電聚合物等。然而，贗電容材料大多受限于循環(huán)穩(wěn)定性相對較差的缺點，往往需要與碳材料形成復合物以提高循環(huán)壽命和充放電性能[4]。

3 超級電容器的市場現(xiàn)狀

國外研究超級電容器起步較早，技術相對比較成熟。許多國家早已將超級電容器項目作為國家級的重點研究和開發(fā)項目，提出了近期和中長期發(fā)展計劃。據(jù)智研咨詢的《中國超級電容器市場研究及投資前景分析報告》，2015年全球超級電容器市場規(guī)模達到160億$，是2007年市場規(guī)模的4倍，并預計未來五年的年復合增長率有望達到21.3%。目前美國Maxwell公司在高性價比超級電容器儲能和輸電解決方案的開發(fā)和制造領域居全球領先地位。俄羅斯的Elit公司、法國的Saft公司、美國的IOXUS公司和Cooper公司、韓國的Nesscap、日本的Nippon公司、NEC公司和Panasonic公司也投入巨額資金對大容量超級電容器進行規(guī)?；a的研究。俄羅斯的ESMA公司是生產無機混合型超級電容器的代表。

國內方面，因國家對新能源產業(yè)的政策性扶持，超級電容器產業(yè)近年來飛速發(fā)展。據(jù)智研咨詢的報告，國內超級電容器市場2012-2015年年均復合增速超過40%，2015年國內超級電容器市場為66.5億元，是2009年的6倍。國內大多廠商生產雙電層電容器，重要企業(yè)有寧波中車新能源、北京集星、上海奧威、錦州凱美、哈爾濱巨容、南通江海、天津力神、湖南耐普恩等十多家，國內外市場主流的3000F級別超級電容器的主要性能指標比較見表1，國內廠商與國際廠商雖仍有差距，但已在逐步縮小。寧波中車新能源科技有限公司依賴強大的資金和技術，近年來研制出適用于有軌和無軌電車的石墨烯基超級電容器，單體容量達到萬法級，處于世界領先水平。上海奧威科技開發(fā)有限公司開發(fā)的“車用超級電容器”，在技術水平上也較為先進。

表1 國內外商用3000F級超級電容器主要性能參數(shù)表Tab.1 Main performance parameters of commercial 3000F-class supercapacitors at home and abroad

4 超級電容器的應用

4.1電力

因其優(yōu)異的性能，超級電容器在分布式發(fā)電的多個方面已經實現(xiàn)了實用化。

4.1.1 分布式發(fā)電及其并網

在分布式發(fā)電中，可將超級電容器用于單獨儲能，或與其他儲能裝置進行復合儲能如圖3所示，充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長、儲能效率高、無需維護等優(yōu)點，可解決分布式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電設備的輸出功率不穩(wěn)定和不可預測的問題[5]。這些領域包括風力發(fā)電[6-8]、光伏發(fā)電[9-11]等。在這些分布式發(fā)電系統(tǒng)中，超級電容器可以對系統(tǒng)起到瞬時功率補償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。中國科學院電工研究所與江蘇雙登企業(yè)合作開發(fā)用于太陽能路燈的超級電容器模組，成功應用于2008年北京奧運會場館。

圖3 超級電容器與電池的復合儲能示意圖Fig. 3 Schematic diagram of composite storage energy of supercapacitors and batteries

此外，分布式發(fā)電目前也面臨著并網難度大，脫網事故多發(fā)的嚴峻問題。將分布式發(fā)電產生的電能，經整流和升壓為高壓直流；將超級電容器(模組)串聯(lián)，升高耐受電壓，再經升降壓直流斬波變換器連接到直流母線上。當電源出現(xiàn)暫降或斷供等不穩(wěn)定問題時，超級電容器儲能系統(tǒng)會升高電壓，維持母線電壓并穩(wěn)定在規(guī)定值附近；當發(fā)生電源功率變大或負荷變小時，超級電容器會吸收能量充電，降低并穩(wěn)定母線電壓。因此，超級電容器儲能系統(tǒng)可保證直流母線電壓穩(wěn)定在允許的范圍內，減小分布式發(fā)電并網時對電網的沖擊[10, 12]。

4.1.2 風機變槳系統(tǒng)

風力發(fā)電是將風能這種分布廣泛的可再生清潔能源，轉化為電能最直接有效的方法，其中風機變槳距系統(tǒng)是維持風力發(fā)電機平穩(wěn)運行的關鍵。

正常運行期間，根據(jù)風速的變化，風機變槳角度會自動進行調整，通過控制葉片的角度使風機的轉速保持恒定；當機組發(fā)生嚴重故障或重大事故的情況時，風機變槳系統(tǒng)配備的備電池系統(tǒng)確保機組安全停機。目前備電池使用較多的是蓄電池組，但因其更換頻率過大和可靠性的問題，嚴重影響了風機的無故障停機時間等指標。相較于蓄電池，超級電容器具有工作溫度范圍寬(-40～70℃)，壽命長，老化緩慢，穩(wěn)定性好，重量輕，維護成本低等顯著的優(yōu)點，用超級電容器替換蓄電池，可以大幅度降低風機維護成本和提高其運行指標[6, 7]。風機變槳和超級電容模組如圖4所示，圖4(a)為風力發(fā)電機組及其風機變槳系統(tǒng)，圖4(b)(來自于Maxwell官網)為Maxwell-160V的超級電容器模組，主要設計用于1.5～3MW風機的變槳系統(tǒng)。

圖4 風機變槳和超級電容模組Fig.4 Wind turbine paddles and supercapacitor module

4.1.3 電力調節(jié)與電能質量調整

穩(wěn)定的電能質量，對于電網的安全、經濟運行、保障工業(yè)產品質量和科學實驗的正常進行以及降低能耗等方面均有重要意義。將超級電容器合理地應用在電力調節(jié)和動態(tài)電壓補償系統(tǒng)中，可有效地調整電能質量。

在電網或配電網的電力調節(jié)中，可將超級電容器作為儲能裝置用于動態(tài)電壓補償系統(tǒng)，超級電容器動態(tài)電壓補償系統(tǒng)基本原理如圖5所示。當電網或配電網出現(xiàn)電壓跌落、閃變和間斷等電能質量問題時，超級電容器通過逆變器釋放能量，及時輸出補償功率并維持一定的時間，以保證電網電壓穩(wěn)定，使敏感用戶設備正常、不間斷地運行[13]。在電網或配電網的動態(tài)電壓補償系統(tǒng)(DVR)中，超級電容器的應用可以起到改善電能質量的作用[14]。超級電容器時間常數(shù)約為1s，對于設計補償時間約為2s的DVR產品來說具有較高的性價比。2011年中國科學院電工研究所推出國內首個超級電容器DVR產品；閑時效率達99.2%，為目前公開報道的最高水平。通過中國機械工業(yè)聯(lián)合會和中國電工技術學會聯(lián)合組織的產品鑒定，一致認為達到國內領先水平。

圖5 超級電容器動態(tài)電壓補償系統(tǒng)基本原理Fig. 5 Basic principle of dynamic voltage restorer with supercapacitors

4.2交通

4.2.1 汽車

因具有充放電快、功率大的特點，超級電容器可應用于汽車起步、加速及制動過程中的能量回收和釋放。配備了超級電容器啟停系統(tǒng)的汽車，因瞬間功率高，加速性能得以提高；當汽車制動減速時，超級電容器又可迅速回收能量[15, 16]。此外，蓄電池因減少了大電流和重復周期，使用壽命得以延長。復合電源的工作模式和配備超級電容啟停系統(tǒng)的汽車如圖6所示，圖6(a)為配備超級電容器和鉛酸電池復合儲能的三種工作模式。圖6(b)和圖6(c)為兩款配備了超級電容啟停系統(tǒng)的汽車，與傳統(tǒng)汽車相比，配備了超級電容啟停系統(tǒng)的汽車，可達到降低燃油成本、提高汽車性能、降低排放、優(yōu)化駕駛體驗的效果。

此外，超級電容器也可以應用于汽車的低溫啟動。將超級電容器與蓄電池并聯(lián)，蓄電池的啟動速度將會得以提高[17]。因為冬季氣溫較低，蓄電池性能嚴重下降，傳統(tǒng)的汽車可能難以、甚至無法啟動；因超級電容器低溫性能好，采用超級電容器與蓄電池并聯(lián)的系統(tǒng)，可以明顯改善汽車在低溫時的啟動性能，相較于單一的蓄電池系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

圖6 復合電源的工作模式和配備超級電容啟停系統(tǒng)的汽車Fig.6 Working modes for composite power, and cars equipped with supercapacitor start and stop system

4.2.2 公交車

傳統(tǒng)公交車采用柴油發(fā)動機產生動力，起步加速油耗較大，減速停站時又浪費了大量動能，因此，傳統(tǒng)公交車的能量利用率效率很低，并且會排放大量因燃燒不充分而產生的有害物。

因公交車具有行駛路線和?？康攸c固定，啟停次數(shù)多的特點，將超級電容模組用于公交車的儲能和動力系統(tǒng)，可實現(xiàn)提高能源利用率，降低有害氣體排放，減少噪音的效果[19, 20]。

2006年，上海市采用奧威超級電容公交車的11路開通如圖7所示，成為世界上第一條商業(yè)化運行的超級電容車公交線路。目前，上海已有包括11路、26路、920路等多條奧威超級電容公交車線路。另外，中國中車的超級電容公交車也已于2015年在寧波下線，目前寧波已有包括306路、330路等多條超級電容公交線路。

圖7 上海11路-奧威超級電容器公交車Fig. 7 Shanghai 11 Route supercapacitor bus

4.2.3 城市軌道交通

地鐵、有軌電車、磁浮列車等城市軌道交通啟停較為頻繁。因具有充放電快、功率高、壽命長的特點，超級電容器也適用于城市軌道交通工具的儲能器件[21, 22]。

2014年，廣州市開通了從萬勝圍站-廣州塔站的有軌電車，該有軌電車采用超級電容器作為儲能元件，理論使用壽命達10年。2016年，我國首列從整車技術到零部件，均全部實現(xiàn)自主化的超級電容儲能100%低地板技術現(xiàn)代有軌電車在株洲首次亮相。該類有軌電車全程采用無架空接觸網運行，僅需在站臺充電30s，即可行駛3至5km。該有軌電車因其地板低，可便于乘客上下車；同時，因無站臺，可減少線路投資；此外還有速度快、運量大、編組靈活、安全、適時、節(jié)能、環(huán)保等特點。磁浮列車制動能量約占總耗電量的20%，目前為電阻消耗，能量浪費巨大。中國科學院電工研究所研發(fā)出基于超級電容器軌道交通制動能量回收利用系統(tǒng)(500kW/5kWh)，實現(xiàn)制動能量回收總效率>90%(具體節(jié)電率取決于實際應用工況)，目前安裝在上海高速磁浮1.5km示范線站點上，其超級電容器制動能量回收利用裝置如圖8所示。

圖8 超級電容器制動能量回收利用裝置Fig. 8 Braking energy recovery and utilization device of supercapacitor

地鐵方面，于2016年11月30日，國內首套由寧波中車新能源科技有限公司、廣州地鐵設計研究院有限公司、廣州中車有軌交通研究院有限公司等單位聯(lián)合研制，擁有自主知識產權的1500V地鐵列車用超級電容器儲能裝置在廣州地鐵6號線潯峰崗站正式掛網運行，這標志著以超級電容器為核心部件的新型制動能量回收利用裝置，在我國城市軌道交通領域中的應用獲得了突破性進展。基于超級電容的再生制動能量回收裝置能有效改善牽引供電質量，實現(xiàn)再生電能的有效利用，節(jié)能降耗。超級電容地鐵制動能量回收利用系統(tǒng)示意圖如圖9所示。

圖9 地鐵超級電容器制動能量回收利用裝置示意圖Fig.9 Schematic of braking energy recovery and utilization device of supercapacitor

4.3工業(yè)與機械

4.3.1 起重機

起重機在港口、建筑和礦業(yè)等領域應用廣泛，其儲能需求的典型特點為高占空比的深度放電周期。采用超級電容器能量管理系統(tǒng)，利用制動和下降過程中的能量回收，可為起重機節(jié)省燃油40%[23]，裝配超級電容能量管理裝置的起重機如圖10所示。此外，因無需發(fā)動機提供峰值功率，還能縮小柴油發(fā)動機的體積，從而進一步節(jié)省燃油。在現(xiàn)今全球變暖和廢氣排放日益嚴峻的氣候條件下，降低了燃油的消耗量，提高了能源的利用率，為節(jié)能減排提供貢獻。

圖10 裝配超級電容器能量管理裝置的起重機[24]Fig.10 Cranes for assembly of energy management devices for supercapacitors [24]

4.3.2 油井設備

在正常鉆井過程中，需要保證轉盤處于恒轉速運轉狀況之下，但轉盤扭矩會因井底地層的原因，始終發(fā)生變化，在跳鉆時的變化會更為明顯，這直接導致輸入功率的波動。功率始終處于波動的狀態(tài)時，當扭矩增大，消耗功率大；當扭矩減小，消耗功率相應就變小。此時，多出的部分能量被能耗電阻消耗，轉變成熱能被浪費。油井設備在起下鉆過程中所損耗的能量相當巨大。若在此系統(tǒng)中使用超級電容回收能量，將下鉆過程被浪費的動力能源及時儲存回收應用，在下次扭矩增大時使用，可以直接降低柴油的消耗，減少排放，提高能源利用率。據(jù)中車株機公司發(fā)布的消息，2016年1月，其研發(fā)的國內首臺石油鉆井機超級電容儲能系統(tǒng)投入應用如圖11所示，該鉆井機配備有1280只中車株機公司研發(fā)的9500F超級電容器單體，總功率最大可達600kW，日均節(jié)省柴油500L。

圖11 中車株機公司研發(fā)的國內首臺配備超級電容儲能系統(tǒng)石油鉆井機Fig. 11 First domestic oil drilling machine with supercapacitor energy storage system developed by China Vehicle Plant machine

4.3.3 不間斷電源UPS

不間斷電源(Uninterruptible Power System，UPS)能在斷電的幾秒到幾分鐘內提供備用電能，蓄電池需要在這段時間提供電能。因蓄電池壽命短，在UPS運行時需要時刻檢測蓄電池的狀態(tài)，并且需要定期維護和更換蓄電池。在數(shù)據(jù)保護的備份系統(tǒng)中，需UPS提供的時間相對很短，而蓄電池的大部分能量并未被充分利用，而小容量蓄電池的放電能力又不足。超級電容器可以在很短的時間內實現(xiàn)能量存儲，因具有功率高、充放電速度快、壽命長和免維護的特點，可以滿足幾分鐘的供電需求，因此可以代替蓄電池應用在UPS中；此外，也可以與蓄電池組成復合不間斷電源，Maxwell公司56V的超級電容器UPS模塊如圖12所示(圖片來自于Maxwell官網)。

圖12 Maxwell公司56V的超級電容器UPS模塊Fig. 12 56V supercapacitor UPS module by Maxwell

4.3.4 電梯

中國是目前世界上最大的電梯制造國，現(xiàn)在中國電梯的使用量和新增量均為世界第一，根據(jù)質檢總局關于2016年全國特種設備安全狀況情況的通報，截止2016年底全國共有在用電梯數(shù)量達493.69萬臺，一部傳統(tǒng)電梯每年用電量大約為1.5萬kW·h。電梯運行中，重載下行、 輕載上行及減速時會產生勢能和制動能量。采用超級電容器，在電梯制動時回收能量，在電梯加速啟動時進行釋放，可起到大幅節(jié)能的效果[24, 25]。此外，當電梯發(fā)生停電或故障的時候，超級電容器電源系統(tǒng)可維持照明、通風和通訊，將電梯送至臨近樓層并開門，提高電梯的安全性。上海虹橋的國家會展中心內，約有200部垂直電梯采用了奧威的第四代超級電容器電源系統(tǒng)。

5 結論

國外的部分超級電容器企業(yè)憑借多年的積累，在產業(yè)化和市場占有方面處于領先地位。隨著國家政策對新能源領域的扶持，國內超級電容器領域的研究和產業(yè)化水平也逐年提高。隨著單體的性能指標不斷提高、模組技術日益成熟，超級電容器目前已在諸多領域取得了廣泛的應用。然而，因受限于能量密度相對偏低的缺點，超級電容器仍難以完全取代傳統(tǒng)電池。因此，超級電容器的能量密度亟待提高，需要開發(fā)出高性能的電極材料、高穩(wěn)定性的電解液以及新型非對稱性結構的超級電容器，優(yōu)化單體制備工藝，這將是今后超級電容器領域重要的研究和發(fā)展方向。

[ 1] Simon P, Gogotsi Y. Materials for electrochemical capacitors [J]. Nature Materials, 2008, 7(11): 845-854.

[ 2] Zhang J, Terrones M, Park C R, et al. Carbon science in 2016: Status, challenges and perspectives [J]. Carbon, 2016, 98: 708-732.

[ 3] Wang Q, Yan J, Fan Z. Carbon materials for high volumetric performance supercapacitors: design, progress, challenges and opportunities [J]. Energy and Environmental Science, 2016, 9(3): 729-762.

[ 4] Borenstein A, Hanna O, Ran A, et al. Carbon-based composite materials for supercapacitor electrodes: a review [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(25): 12653-12672.

[ 5] 董博, 李永東, 鄭治雪(Dong Bo，Li Yongdong，Zheng Zhixue). 分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)能量管理(Energy management of hybrid storage in distributed generation system) [J]. 電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2012, 31(1): 22-25.

[ 6] 唐坤, 張廣明, 歐陽慧珉, 等(Tang Kun, Zhang Guangming, Ouyang Huimin, et al.). 超級電容在風力發(fā)電中的應用及未來發(fā)展(Application and future development of supercapacitor in wind power) [J]. 電源技術(Chinese Journal of Power Sources), 2015, 39(5): 1114-1117.

[ 7] 于超光, 于紅理, 胡明清(Yu Chaoguang, Yu Hongli, Hu Mingqing). 風力機變槳系統(tǒng)超級電容充電機設計與仿真(Super capacitor charger design and simulation of pitch system for wind turbine) [J]. 變頻器世界(The World of Inverters), 2015, (3): 39-42.

[ 8] 叢晶, 宋坤, 魯海威, 等(Cong Jing, Song Kun, Lu Haiwei, et al.). 新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術研究綜述(Review of energy storage technology for new energy power system) [J]. 電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2014, 33(3): 53-59.

[ 9] 程志江, 李永東, 謝永流, 等(Cheng Zhijiang, Li Yongdong, Xie Yongliu, et al.). 帶超級電容的光伏發(fā)電微網系統(tǒng)混合儲能控制策略(Control strategy for hybrid energy storage of photovoltaic generation microgrid systemwith super capacitor) [J]. 電網技術(Power System Technology), 2015, 39(10): 2739-2745.

[10] 劉耀遠, 曾成碧, 李庭敏, 等(Li Yaoyuan, Zeng Chengbi, Li Tingmin, et al.). 基于超級電容的光伏并網低電壓穿越控制策略研究(Study on low-voltage ride through control strategy of photovoltaic system based on super-capacitor) [J]. 電力系統(tǒng)保護與控制(Power System Protection and Control), 2014, 42(13): 77-82.

[11] 唐西勝, 齊智平(Tang Xisheng, Qi Zhiping). 獨立光伏系統(tǒng)中超級電容器蓄電池有源混合儲能方案的研究(Study on an actively controlled battery ultracapacitor hybrid in stand-alone PV system) [J]. 電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2006, 25(3): 37-42.

[12] 劉偉, 康積濤, 李珊, 等(Liu Wei, Kang Jitao, Li Shan, et al.). 超級電容儲能技術在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應用(Application of Super Capacitor energy storage technology in distributed power generation system) [J]. 華電技術(Huadian Technology), 2010, 32(12): 32-33.

[13] 李鵬飛(Li Pengfei). 基于超級電容儲能的微網電能質量調節(jié)器研究(Study on microgrid power quality conditioner based on energy storage of super-capacitor) [D]. 蘭州：蘭州交通大學(Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University), 2016.

[14] 沙鷗, 孫玉坤, 張亮, 等(Sha Ou, Sun Yukun, Zhang Liang, et al.). 基于超級電容儲能的動態(tài)電壓恢復器研究(Research on dynamic voltage restorer based on supercapacitor energy storage) [J]. 電測與儀表(Electrical Measurement & Instrumentation), 2014, 51(13): 98-102.

[15] 陳天殷(Chen Tianyin). 汽車領域中超級電容器的應用與維護(Application and maintenance of supercapacitor in automotive field) [J]. 輕型汽車技術(Light Vehicle Technology), 2016,(3): 3-11,19.

[16] 張炳力, 趙韓, 張翔, 等(Zhang Bingli, Zhao Han, Zhang Xiang, et al.). 超級電容在混合動力電動汽車中的應用(Application of super Capacitor in hybrid electric vehicle) [J]. 汽車工程學報(Chinese Journal of Automotive Engineering), 2003,(5): 48-50.

[17] 王恒, 洪光, 傅冠生, 等(Wang Heng，Hong Guang，F(xiàn)u Guansheng, et al.). 超級電容器用于汽車低溫啟動可行性研究(Feasibility study of super capacitor used in low temperature start-up of automobiles) [J]. 北京汽車(Beijing Automotive Engineering), 2015,(6): 39-41.

[18] 陳立超, 張昕, 張欣(Chen Lichao，Zhang Xin，Zhang Xin). 超級電容式混合動力電動汽車控制策略的研究(Research on control strategy of super-capacitive hybrid electric vehicle) [J]. 北京汽車(Beijing Automotive Engineering), 2011,(2): 9-14.

[19] 華黎(Hua Li). 超級電容公交車系統(tǒng)的原理和商業(yè)模式探索(Exploration on the principle of ultracapacitor bus system and business mode) [J]. 能源技術(Energy Technology), 2008, 29(6): 362-365，370.

[20] 姚剛, 呂超, 劉速飛(Yao Gang, Lv Chao, Liu Sufei). 考慮行程可靠性和投資經濟性的超級電容公交車站距分析(Analysis of super capacitor public transport charging station considering travel reliability and investment economy) [J]. 電器與能效管理技術(Electrical & Energy Management Technology), 2017,(2): 76-81.

[21] 張婷婷, 張偉先, 胡潤文(Zhang Tingting, Zhang Weixian, Hu Runwen). 基于超級電容的有軌電車儲能電源系統(tǒng)介紹(Introduction of power supply system for tram based on Super capacitor) [J]. 技術與市場(Technology and Market), 2016, 23(5): 98-99.

[22] 趙軍, 范曉云, 何杜明, 等(Zhao Jun, Fan Xiaoyun, He Duming, et al.). 超級電容有軌電車供電系統(tǒng)研究(Research on the Power Supply System for the Super Capacitor Tramcar) [J]. 電力電子技術, 2017,51(6): 86-88.

[23] Miller J R, Simon P. Electrochemical Capacitors for Energy Management [J]. Science, 2008, 321(5889): 651-652.

[24] 宮成, 焦然, 遲忠君, 等(Gong Cheng, Jiao Ran, Chi Zhongjun). 超級電容在電梯節(jié)能中的應用(Application of super capacitor in elevator energy saving) [J]. 電氣應用(Electrotechnical Application), 2014,33(22): 53-58.

[25] 鄧哲, 周峰武, 呂征宇(Deng Zhe, Zhou Fengwu, Lv Zhengyu). 基于超級電容儲能與電壓型變流器的電梯能量回收系統(tǒng)效率優(yōu)化控制策略(Novel push-pull forward converter for high reliability and high input voltage applications) [J]. 電工電能新技術(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2014, 33(2): 22-28.

Developmentandapplicationsstatusofsupercapacitors

HUANG Xiao-bin1,2, ZHANG Xiong1,2, WEI Tong-zhen1,2, QI Zhi-ping1, MA Yan-wei1,2

(1. Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Supercapacitor is a new type of energy storage device developed in recent decades, with the characteristics of high power density, long life and good low-temperature performance, and has been widely applied in electric power, transportation, industry and other fields. This paper introduces the types and basic principles of supercapacitors, as well as the development and market status of supercapacitor industry in recent years. Then, the main application fields and current situation of supercapacitor in China are reviewed. In the end, the relative suggestions focusing on the main defect of supercapacitor, low energy density, is proposed.

supercapacitor; electricity; transportation; industry; machinery

2017-09-27

國家自然科學基金項目(51677182)

黃曉斌(1992-)， 男， 廣東籍， 碩士研究生， 研究方向為超級電容器;

張 熊(1981-)， 男， 湖南籍， 研究員， 博士， 研究方向為超級電容器儲能技術。

10.12067/ATEEE1709060

1003-3076(2017)11-0063-08

TM242