吳宗華，孫 嫻

（1.楚雄技師學(xué)院，云南 楚雄彝族自治州675000；2.鄭州市信息技術(shù)學(xué)校，河南 鄭州450018）

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人類致力于研發(fā)利用新能源，解決能源枯竭和環(huán)境污染問題。各種儲能設(shè)備不斷發(fā)展，目前使用最多的是蓄電池。蓄電池的發(fā)明和應(yīng)用歷史悠久，人類最早發(fā)明的是伏打電池，隨后發(fā)明了鉛酸蓄電池，隨著科技發(fā)展，又發(fā)明了鎳鎘電池、鎳氫電池、氧化銀電池、鋰離子電池等，這類電池均屬于化學(xué)能電池，其電能是靠化學(xué)能的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的。超級電容與上述電池的儲能方式不同，屬純物理方式儲能，應(yīng)用前景很廣，但由于其能量密度低，不能完全代替蓄電池。本文嘗試把超級電容與蓄電池的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化組合，解決目前市場上的蓄電池存在的問題，減少環(huán)境污染。

1 超級電容

超級電容是指介于傳統(tǒng)電容充電電池之間的一種新型儲能裝置，它既具有電容快速充放電特性，同時又具有電池的儲能特性，超級電容是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層存儲能量的新型元器件[1]。

1.1 超級電容的充放電特性

超級電容的儲能原理不同于常規(guī)的蓄電池，其充放電過程及儲能狀態(tài)有其自身特點(diǎn)，受充放電電流、充放電的環(huán)境溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電電流是主要的影響因素。筆者通過8.4 V/1 000 F 超級電容充放電特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超級電容的電能容量與充放電電流關(guān)系為：超級電容所存儲能量E 是電容C 和內(nèi)阻R 的函數(shù)。假設(shè)采用A 作為充電電流，電容C 不隨超級電容的端電壓變化，則最大儲能密度可表示為：

式（1）中：Ce為額定電容，F(xiàn)；UR為額定電壓，V；m 為電容器質(zhì)量，kg。

額定電流是根據(jù)恒定電流放電測試得到的，計算公式如下所示：

式（2）中：Ce為額定電容，F(xiàn)；Ie為額定電容器時測量對應(yīng)的放電電流，A；t1為放電初始電壓達(dá)到U1的時間，s；t2為放電終止電壓達(dá)到U2的時間，s[2-4]；U1為測量的初始電壓，V；U2為測量的終止電壓，V。

超級電容的電路如圖1 所示。

圖1 超級電容的電路圖

以上電路由3 個單體為2.8 V/3 000 F 的超級電容+電壓平衡器串聯(lián)組成，額定電壓可達(dá)8.4 V（充滿電），每個超級電容的一致性較好，內(nèi)阻為0.03 Ω左右，電壓平衡器在額定電壓內(nèi)自放電電流3 μA。

用一個DC/DC 升降壓模塊，使其電壓調(diào)節(jié)到10 V 恒壓，超級電容放電時起始電壓為7.66 V，終止電壓為4.79 V，恒流放電電流為1.023 A，對10 Ω/20 W 水泥電阻放電，其實(shí)測放電特性如圖2 所示。

圖2 超級電容放電圖

其放電擬合方程為U=7.66×（1.011 5）-t，t 為放電時間，以分鐘計時。

充電起始電壓4.79 V，將穩(wěn)壓電源調(diào)到8.4 V，終止電壓6.81 V，其實(shí)測充電特性如圖3 所示。

圖3 超級電容恒壓充電圖

由圖3 可以看出，超級電容仍按指數(shù)曲線特性充放電。

1.2 超級電容的應(yīng)用及局限性

超級電容功率密度高，大功率輸出電能，其輸出功率是蓄電池功率的40 倍以上，可以實(shí)現(xiàn)秒級充電，充電次數(shù)達(dá)50 萬次以上，而且反復(fù)循環(huán)其容量沒出現(xiàn)明顯下降，因此，超級電容可做大功率電源，比如電動車的啟動、電動汽車的上坡、軌道交通車等。但由于超級電容能量密度低，每次充電與蓄電池相比電能較小，不能長時間放電，所以超級電容存在單獨(dú)使用時體積較大的局限。

2 X 電池的特點(diǎn)

X 電池泛指除一次性電池外，可以實(shí)現(xiàn)二次充電重復(fù)使用的電池，比如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、氧化銀電池、鋰離子電池等，二次電池中目前常用的是鋰電池，以鋰電池作為X 電池來研究，鋰電池的充電特性比較穩(wěn)定，通常有恒壓充電、恒流充電及階梯式充電。本文用鋰電池Doublepow18650 做恒流放電測試，其單體電量3 400 mAh（12 580 mWh），實(shí)測其恒流放電特性如圖4 所示。

圖4 鋰電池恒流放電

從圖4 可以看出，不同的放電速率其放電時間也不同，滿格放電電壓從4.2 V 到3.6 V，近似為一條斜率為負(fù)的直線，而且近似相互平行，即斜率僅與鋰電池內(nèi)阻有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)?？梢钥闯龃箅娏鞣烹妼ζ涮匦杂绊戄^小，其恒流放電直線部分可用下述公式描述：

式（3）中：U0為恒流放電起始電壓，實(shí)驗(yàn)中取4.2 V；Ui與放電倍率有關(guān)；k 為放電曲線斜率；t 為放電時間。

從圖4 可以看出：鋰電池在長時間放電過程中電壓相對穩(wěn)定；電池可大電流放電；當(dāng)電壓低于2.8 V 后，曲線比較陡峭，降壓幅度明顯，低于2.8 V 后會造成永久性損壞。

鋰電池在眾多的二次電池中具有自身優(yōu)點(diǎn)：儲存能量大、放電電壓性能穩(wěn)定等。但也存在一些缺點(diǎn)，比如大電流充電時，電池的穩(wěn)定性變差，電池容易過熱，造成永久性損壞，甚至?xí)鹑紵ǖ任ｋU事故。

3 超級電容+X 電池系統(tǒng)

超級電容和蓄電池是兩個不同的儲能系統(tǒng)，超級電容通過物理過程儲存電能，蓄電池通過化學(xué)過程儲存電能，但二者的釋放電能目標(biāo)是一致的，為其他設(shè)備提供電能動力。

3.1 超級電容+鋰離子電池充電系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 串聯(lián)型充電

圖6 并聯(lián)型充電

圖5 是串聯(lián)型充電，超級電容和鋰電池同時充電，二者實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，超級電容能大電流充電，可在10 s～10 min內(nèi)充滿電，但超級電容的能量密度較低，與鋰電池同等能量下，其體積將會很大。圖6 是并聯(lián)充電，由于超級電容瞬間充電電流很大，電容器近乎短路，鋰電池充電電壓近于0，隨著電容器電壓的升高，鋰電池進(jìn)入充電狀態(tài)。

3.2 超級電容+鋰離子電池放電系統(tǒng)

改進(jìn)后的系統(tǒng)，如圖7 所示，直接將超級電容與鋰電池串聯(lián)起來，通過CD/CD 調(diào)壓裝置可以對負(fù)載進(jìn)行恒壓放電。實(shí)驗(yàn)中超級電容用2.8 V/3 000 F，額定電能為3 Wh 的兩個串聯(lián)，鋰電池用Doublepow18650，單體電量3 400 mAh（12 580 mWh）。

圖7 改進(jìn)后的系統(tǒng)

超級電容：U1=2.783 V，U2=2.792 V，U1+U2=5.57 V。

鋰電池：U3=4.17 V。

U1+U2+U3=9.74 V（初始），輸出電壓為6 V。

負(fù)載用水泥電阻：R=5 Ω/20 W。

額定輸出電流：I=U/R=6/5=1.2 A。

其中CD/CD 是調(diào)壓裝置，轉(zhuǎn)化效率為96%以上，實(shí)測特性如圖8 所示。

圖8 改進(jìn)后的系統(tǒng)放電圖

當(dāng)放電電壓為4.97 V，放電時間可達(dá)100 min 以上；停止放電后，超級電容電壓U1+U2=1.56 V。鋰電池電壓為3.413 V。額定總能量為6+12.58=18.58 Wh。100 min 放電E=P×t=6×1.2×100/60=12 Wh。超級電容仍有余能可以放出，如果要提高超級電容的輸出能量，可以考慮采取下列2 種方案：增加鋰電池串聯(lián)節(jié)數(shù)（電壓），這樣可以使超級電容放電到0 V，徹底釋放掉電容的能量；超級電容采用并聯(lián)，同時增加鋰電池串聯(lián)節(jié)數(shù)。

4 結(jié)論

考慮到超級電容安全及充放電次數(shù)高達(dá)幾十萬次的特性，增加超級電容數(shù)量，減少安全性較差的鋰電池數(shù)量，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢互補(bǔ)。利用超級電容的大電流充電特性，實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)快速充電，解決需隨時補(bǔ)充電能做動力能源的難題，能大幅度提高系統(tǒng)的整體安全性能，減少環(huán)境污染，也解決