超級(jí)電容器在新能源領(lǐng)域并不是一個(gè)陌生的名詞。實(shí)際上，超級(jí)電容器已在該領(lǐng)域歷經(jīng)了幾十年的坎坷，雖然它的應(yīng)用形式同電池不同，但在實(shí)際應(yīng)用上卻總被電池取代，此外還面臨成本高、技術(shù)難度大的劣勢(shì)。然而，超級(jí)電容器在技術(shù)上一旦取得突破，將可對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)力。因此，盡管研發(fā)過程困難重重，但攻克它的意義卻很重大。
超級(jí)電容器的尷尬現(xiàn)狀
超級(jí)電容器從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程。目前，微型超級(jí)電容器在小型機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，例如電腦內(nèi)存系統(tǒng)、照相機(jī)、音頻設(shè)備和間歇性用電的輔助設(shè)施。而大尺寸的柱狀超級(jí)電容器則多被用于汽車領(lǐng)域和自然能源采集上，并可預(yù)見在該兩大領(lǐng)域的未來市場(chǎng)上，超級(jí)電容器有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
使用壽命久、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、高充放電效率、高能量密度，這是超級(jí)電容器的四大顯著特點(diǎn)，這也使它成為當(dāng)今世界最值得研究的課題之一。目前，超級(jí)電容器的主要研究國(guó)為中、日、韓、法、德、加、美。從制造規(guī)模和技術(shù)水平來看，亞洲暫時(shí)領(lǐng)先。
然而，超級(jí)電容器的研發(fā)工作一直籠罩在電池（主要為鎳氫電池、鋰電池）的陰影之下。鎳氫電池和鋰電池的開發(fā)因?yàn)榭梢垣@得來自政府和大投資商的巨額資金支持，技術(shù)交流獲得極大推動(dòng)，也更容易聚焦全世界的目光。相比之下，超級(jí)電容器卻很難得到雄厚的資金支持，技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展也就受到很大程度地制約。這使它在很多領(lǐng)域備受冷落。
超級(jí)電容與電池拉平差距的機(jī)會(huì)
盡管超級(jí)電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但這項(xiàng)技術(shù)依然不能在運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集方面擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。相比電池領(lǐng)域，超級(jí)電容器的技術(shù)過于落后，想要縮小兩者在研發(fā)方面的差距，首要任務(wù)應(yīng)解決如下問題：
■增加超級(jí)電容器生產(chǎn)廠商數(shù)量，通過市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的手段刺激相關(guān)技術(shù)的研發(fā);
■擴(kuò)大高比功率超級(jí)電容器的生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)突破百萬件的年生產(chǎn)量;
■將超級(jí)電容器當(dāng)前的制造成本降低50%;
■擬定一個(gè)超級(jí)電容器可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，主要針對(duì)更高效電極材料的探索。
要達(dá)到上述目標(biāo)需要廠商對(duì)超級(jí)電容器市場(chǎng)有一個(gè)逐年上升的投資力度，主要用于在設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)兩方面。與此同時(shí)，政府?dāng)U大資金和技術(shù)支持也將起到至關(guān)重要的作用。
超級(jí)電容的應(yīng)用前景分析
超級(jí)電容是一種極好的電池！今后，儲(chǔ)能密度還可以再提高10-100倍！
目前，普通電池的儲(chǔ)能密度是0.02千瓦時(shí)/kg，而超級(jí)電容則可以達(dá)到10或者20千瓦時(shí)/kg，是普通鉛蓄電池的500-1000倍！未來還可以進(jìn)一步提高！而且充放電的速度極快，只需要幾秒鐘即可！
以前，一塊鉛蓄電池50公斤，也只能存儲(chǔ)一度電，而且用久了就壞了，充放電時(shí)間特別長(zhǎng)。
現(xiàn)在，一塊超級(jí)電容電池，如果還是50公斤，則可以儲(chǔ)存500-1000度電，足可以供一般的小汽車跑5000公里了！即使是公交車，也可以跑將近2000公里了！如果按按現(xiàn)在汽車的標(biāo)配，加一次油跑600公里計(jì)算，每100公里按標(biāo)準(zhǔn)電耗15度計(jì)算，能夠儲(chǔ)存100度電就可以了，那么就只需要5-10公斤的超級(jí)電容電池就可以了！那么，這樣一來，車子就已經(jīng)可以很好地使用了！
未來，將進(jìn)一步發(fā)明石墨烯超級(jí)電容電池，容量將進(jìn)一步擴(kuò)大十倍！那今后就更好了！
總之，從現(xiàn)在的技術(shù)來看，已經(jīng)可以具有商業(yè)化電動(dòng)汽車的開發(fā)價(jià)值了！預(yù)計(jì)一臺(tái)汽車上安裝可持續(xù)跑600公里的超級(jí)電池，只需要成本1-2萬元左右，充電將更加簡(jiǎn)單快速，幾秒鐘即可完成，無污染，幾乎可以終身使用而無需中途更換。今后還將更好，完全可以使用起來！而且，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以利用剎車的能量發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存起來，利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電儲(chǔ)存起來，那將更加節(jié)能，而且剎車液更加安全可靠。
總之，未來電動(dòng)汽車必將橫空出世，自己完全可以利用這種技術(shù)去發(fā)展自己的產(chǎn)業(yè)，為中國(guó)贏得世界一席之地！
既然電池技術(shù)已經(jīng)攻克，那么就應(yīng)該進(jìn)一步去完善，去制造，最終向用戶兜售自己的電動(dòng)汽車！那么，就可以做成一個(gè)十分巨大的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，為中國(guó)獲得綠色環(huán)保發(fā)展！可以徹底消滅城市汽車尾氣污染，可以為中國(guó)減少數(shù)億噸的汽油柴油消耗，減少對(duì)中東石油的依賴！為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來騰飛的翅膀！
應(yīng)該繼續(xù)關(guān)注這種技術(shù)，這種產(chǎn)業(yè)，適時(shí)切入！還有，就是石墨烯產(chǎn)業(yè)，信息化改造產(chǎn)業(yè)，新型計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，智能化軟件產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，鈦合金產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)工業(yè)的升級(jí)改造和技術(shù)更新等等，這些將是中國(guó)未來發(fā)展的根本！
超級(jí)電容器的可預(yù)見性未來
毋庸置疑，超級(jí)電容器憑借自身使用壽命久、高充放電效率等顯著特點(diǎn)，只要找準(zhǔn)自身發(fā)展的合適土壤，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
就未來十年的發(fā)展而言，超級(jí)電容器將是運(yùn)輸行業(yè)和自然能源采集的重要組成部分，其中，用于裝配在啟停系統(tǒng)車輛的超級(jí)電容器，將成為其在未來的主要銷售渠道，預(yù)計(jì)在2016年的全球市場(chǎng)將達(dá)到2.7億美元，2020年將超過3.5億美元。
超級(jí)電容在電動(dòng)車中應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢(shì)分析
超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)綜合了超級(jí)電容和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以改善電動(dòng)車的瞬時(shí)功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，增加電動(dòng)車的續(xù)駛里程，因此將是超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，并具有廣闊的市場(chǎng)前景。
由于環(huán)境污染和石油危機(jī)的雙重壓力，電動(dòng)車已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動(dòng)車的能量源泉，但目前電池技術(shù)還不能完全滿足電動(dòng)車的要求。
超級(jí)電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲(chǔ)能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時(shí)間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)有效地改善運(yùn)動(dòng)特性。此外，超級(jí)電容還具有內(nèi)阻小，充放電效率高（90％以上）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬至十萬次）、無污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，和其他能量元件（發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、燃料電池等）組成聯(lián)合體共同工作，是實(shí)現(xiàn)能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動(dòng)車一次充電的續(xù)駛里程。因此，超級(jí)電容在電動(dòng)車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，將是未來電動(dòng)車發(fā)展的重要方向之一。
目前，日本、美國(guó)、瑞士、俄羅斯等國(guó)家都在加緊超級(jí)電容的開發(fā)，并研究超級(jí)電容在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，而我國(guó)超級(jí)電容的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段。
1、超級(jí)電容的機(jī)理與特點(diǎn)
超級(jí)電容（Ultracapacitor）是近期發(fā)展起來的一種新型儲(chǔ)能元件，是一種具有超級(jí)儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈動(dòng)功率的物理二次電源，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)數(shù)萬法。超級(jí)電容按儲(chǔ)能機(jī)理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生可逆化學(xué)吸附的法拉第電容；③由導(dǎo)電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應(yīng)的電容。
由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環(huán)次數(shù)高，充電過程快，因此比較適合在電動(dòng)車中應(yīng)用。雙電層超級(jí)電容是靠極化電解液來儲(chǔ)存電能的一種新型儲(chǔ)能裝置，其原理結(jié)構(gòu)如圖l所示。當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于超級(jí)電容與傳統(tǒng)電容相比，儲(chǔ)存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個(gè)超級(jí)電容單元的電容量就高達(dá)幾法至數(shù)萬法。由于采用了特殊的工藝，超級(jí)電容的等效電阻很低，電容量大且內(nèi)阻小。使得超級(jí)電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達(dá)蓄電池的50～100倍，可達(dá)到10kW／kg左右，這個(gè)特點(diǎn)使超級(jí)電容非常適合于短時(shí)大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。
超級(jí)電容具有極其優(yōu)良的充、放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時(shí)則可以放出所存儲(chǔ)的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級(jí)電容還具有不污染環(huán)境及機(jī)械強(qiáng)度高、安全性好（防火、防爆）、使用過程中免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)（大于10年）和工作溫度范圍寬（一30℃～ 45℃）等優(yōu)點(diǎn)，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統(tǒng)較為穩(wěn)定。超級(jí)電容與鉛酸電池和普通電容的性能對(duì)比見表1。
2、應(yīng)用研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究進(jìn)展
由于超級(jí)電容的優(yōu)越性能和近年來對(duì)超級(jí)電容開發(fā)能力的提高，因此超級(jí)電容在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前，世界各國(guó)爭(zhēng)相研究、并越來越多地將其應(yīng)用到電動(dòng)車上。超級(jí)電容已經(jīng)成為電動(dòng)車電源發(fā)展的新趨勢(shì)，而超級(jí)電容與蓄電池組成的復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動(dòng)車動(dòng)力問題的最佳途徑之一。
日本的情況
日本本是將超級(jí)電容應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的先驅(qū)，超級(jí)電容是近年來日本電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)中的重要領(lǐng)域之一。本田的FCX燃料電池一超級(jí)電容混合動(dòng)力車是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國(guó)的加州上市。日產(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車，此外還推出了天然氣一超級(jí)電容混合動(dòng)力客車，該車的經(jīng)濟(jì)性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的2.4倍。目前，裝備超級(jí)電容的混合動(dòng)力電動(dòng)公交車已經(jīng)成為日本的國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目。
歐美的狀況
瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車安裝了儲(chǔ)能360Wh的超級(jí)電容組，超級(jí)電容承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在減速和起動(dòng)時(shí)的全部瞬態(tài)功率，以50kW的15s額定脈沖功率來協(xié)助燃料電池工作，牽引電機(jī)額定連續(xù)功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實(shí)驗(yàn)車進(jìn)行的燃油消耗測(cè)試結(jié)果表明其油耗少于7L／100km，而相同質(zhì)量的BMW7系列油耗則為10.7L／100km。1996年俄羅斯的Eltran公司研制出以超級(jí)電容作電源的電動(dòng)汽車，采用300個(gè)電容串聯(lián)，充電一次可行駛12km，時(shí)速為25km／h。美國(guó)在超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車方面的研究也取得了一定進(jìn)展，Maxwell公司所開發(fā)的超級(jí)電容器在各種類型電動(dòng)汽車上都得到了良好的應(yīng)用。美國(guó)NASALewis研究中心研制的混合動(dòng)力客車采用超級(jí)電容作為主要的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。
中國(guó)的現(xiàn)狀
目前，國(guó)內(nèi)對(duì)以超級(jí)電容作為惟一能源的電動(dòng)汽車的研究取得了一定的進(jìn)展，2004年7月我國(guó)首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無軌電車”在上海張江投入試運(yùn)行，該公交車?yán)贸?jí)電容比功率大和公共交通定點(diǎn)停車的特點(diǎn)，當(dāng)電車停靠站時(shí)在30s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時(shí)速可達(dá)44km／h。2005年1月上海交通大學(xué)與山東煙臺(tái)市簽署協(xié)議，共同投資開發(fā)超級(jí)電容公交電車，計(jì)劃在煙臺(tái)福山區(qū)建一條12km的示范線，在福山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)建立年產(chǎn)1萬輛新型環(huán)保超級(jí)電容公交車的生產(chǎn)基地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級(jí)電容電動(dòng)公交車，可容納50名乘客，最高速度20km／h。但是，國(guó)內(nèi)目前對(duì)超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源電動(dòng)車的設(shè)計(jì)及控制，基本上還處于起步階段。
電動(dòng)車中應(yīng)用超級(jí)電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
純超級(jí)電容電動(dòng)車
直接以超級(jí)電容作為電動(dòng)車的惟一能源，此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低，而且實(shí)現(xiàn)了零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區(qū)域，例如火車站或者飛機(jī)場(chǎng)的牽引車、學(xué)校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動(dòng)公交車等。
復(fù)合電源電動(dòng)車
超級(jí)電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復(fù)合電源系統(tǒng)，但燃料電池因?yàn)槌杀据^高，現(xiàn)在還不能得到實(shí)際應(yīng)用。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)的研究更多，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概括如圖2所示。圖2a結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但由于沒有DC／DC變換器，蓄電池和超級(jí)電容將具有相同的電壓，以致超級(jí)電容僅在蓄電池電壓發(fā)生快速變化時(shí)輸出和接收功率，從而減弱了超級(jí)電容的負(fù)載均衡作用。圖2b與圖2c都采用了雙向OC／OC變換器，圖2b中雙向DC／DC跟蹤檢測(cè)蓄電池的端電壓，以調(diào)控超級(jí)電容的端電壓使兩者匹配工作。由于蓄電池端電壓的變化比超級(jí)電容的端電壓平緩，因此對(duì)于DC／DC，圖2b比圖2c易于控制。圖2d理論上雖然具有更高的靈活性，但對(duì)DC／DC的控制策略要求非常精確復(fù)雜且不易維護(hù)。
復(fù)合電源系統(tǒng)的控制策略
速度約束控制策略
當(dāng)車輛起步時(shí)，超級(jí)電容中應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存較多的能量，需要超級(jí)電容放電，保證電動(dòng)車的加速性能，而當(dāng)車輛在高速行駛的情況下，超級(jí)電容應(yīng)當(dāng)儲(chǔ)存比較少的能量，以便在制動(dòng)過程中接收較多的能量。超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量與其端電壓的平方成正比，由于超級(jí)電容的端電壓變化范圍比較大，因此放電時(shí)如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進(jìn)行再生制動(dòng)回收充電，但需要在實(shí)驗(yàn)中反復(fù)進(jìn)行測(cè)試才能獲得。
電流約束控制策略
電動(dòng)車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負(fù)載電流變化比較大，當(dāng)負(fù)載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時(shí)，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級(jí)電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)其使用壽命。電池組的工作電流為
為了避免過大的回饋電流對(duì)蓄電池造成損害，可采用恒定充電電流的制動(dòng)方式，即以蓄電池充電電流為被控對(duì)象。這是一種比較實(shí)用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統(tǒng)的電動(dòng)車。由于蓄電池電壓在再生制動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會(huì)太大。在超級(jí)電容一蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)中，由于超級(jí)電容端電壓在單次再生制動(dòng)過程中就會(huì)發(fā)生很大的改變，隨著制動(dòng)過程中超級(jí)電容端電壓的上升和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的下降，電樞電流將急劇上升，有可能對(duì)功率器件甚至電機(jī)造成損害，因此對(duì)超級(jí)電容充電時(shí)可采用恒功率的策略，即對(duì)再生制動(dòng)過程中超級(jí)電容的充電功率進(jìn)行控制。
在超級(jí)電容電壓低的時(shí)候，采用大電流充電，當(dāng)電容電壓上升時(shí)，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統(tǒng)器件保護(hù)。
綜合控制策略
采用速度約束控制策略可使車輛的動(dòng)力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時(shí)蓄電池的電流可以工作在規(guī)定的范同內(nèi)，對(duì)蓄電池有保護(hù)作用。這2種控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用綜合控制策略。即將速度約束控制策略和電流約束控制策略進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以兼顧它們的優(yōu)點(diǎn)，既能對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)電池的使用壽命，又能提高整車的動(dòng)力性能。