(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)UR和工作电压等。 ①额定电压(直流)超级电容器的额定电压UR,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UR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UR=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UR为2.3V、2.5V和2.7V等。 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UR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2-3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
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
(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，电容器储存能量为E。
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2.7V5000F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30Wkg,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9000,在60℃的环境温度时工作寿命一般为400h,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。
