摘 要

在用能需求激增的今天，能源危机逐渐显露出来。人们越来越重视能源的开发与利用，而能源储存在能源的应用过程中极其关键，这个环节一直受到各界的关注。一种新型储能装置——超级电容器，在这种大环境下迅速得到发展和应用，与普通电容器和传统蓄电池相比，它具有一些显著的优势：较高的功率密度、快速的充放电速度以及较长的使用寿命等，正是这些优势使超级电容器特别适合在能量回收系统中应用。目前也是基于此在载运工具领域得到广泛应用，尤其在新能源汽车和轨道交通方面。

本文首先对超级电容器的相关知识做出了具体介绍，随之总结了超级电容器在几种载运工具上的的应用方法和应用技术，可以得到以下结论：超级电容器一方面与蓄电池组成复合电源，与蓄电池达成优势互补的目的；另一方面由大量超级电容器单体通过串、并联的方式组成超级电容模组，配备超级电容管理系统对其在运行使用过程中进行实时监测与调节。最后针对超级电容器今后可以在哪些方面做出改进提出了建议。

关键词： 超级电容器； 载运工具； 超级电容管理系统

Abstract

With the surge in demand for energy, the energy crisis has gradually emerged.people pay more and more attention to the development and use of energy. Energy storage, as a key link in the process of energy application, has always been of concern to people.A new type of energy storage device, a supercapacitor, has been rapidly developed and applied in this situation .Supercapacitors have obvious advantages over traditional electrochemical energy storage devices. Their characteristics of high charge and discharge speed, high power density, and long service life are particularly suitable for applications in energy recovery systems. Currently, they are also widely used in the field of transport tools,especially in new energy vehicles and rail transportation.

After systematically introducing the relevant knowledge of the supercapacitor, this article summed up the application method and application technology of the super capacitor: On the one hand, the supercapacitor forms a composite power source with the battery and achieves the complementary advantages with the battery;On the other hand, a large number of supercapacitor monomers are used to form a supercapacitor module through string and parallel connections, and a super capacitor management system is used to run the system.Finally, it proposes suggestions for future research directions of super capacitors.

Key words: supercapacitor； Carrier Tools； Supercapacitor management system

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2超级电容器的概念及其历史发展 1

1.3超级电容器的国内外研究现状 2

1.3.1超级电容器的国外研究现状 2

1.3.2超级电容器的国内研究现状 3

1.4研究目的与意义 3

第2章 超级电容器概述 5

2.1超级电容器的分类及其原理 5

2.1.1双电层超级电容器的原理 6

2.1.2赝电容器的原理 7

2.2超级电容器的性能特点 7

2.3超级电容器的关键技术 9

第3章 超级电容器的应用领域及其应用技术分析 10

3.1超级电容器在新能源汽车上的应用 10

3.1.1超级电容器在动力驱动系统中的应用 10

3.1.2超级电容器在动力转向系统中的应用 13

3.1.3超级电容器在汽车音响中的应用 14

3.2超级电容器在混合动力客车上的应用 15

3.3 超级电容器在轨道交通领域上的应用 16

3.3.1超级电容器在现代有轨电车上的应用 16

3.3.2超级电容器在内燃机车以及内燃机车动车组上的应用 18

3.4超级电容器在电力推进船舶上的应用 18

3.5超级电容器在航空蓄电池起动车上的应用 20

第4章 总结 21

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1引言

近一个世纪以来，人们毫无节制地开采能源，造成今日能源供不应求的局面。资源的短缺及其给人类社会发展带来的后果使人们不得不越来越重视能源的开发与利用，所谓开源节流方能治本，作为能源利用过程中关键环节之一的能源储存，毫无疑问地备受人们的关心。在各大领域应用最广泛的储存介质是传统蓄电池，这些电池的容量密度很大，但功率密度很小，这些特点使它在一些场合无法高效率地发挥作用，因此，高性能储能器件应运而生。

超级电容器作为一种新型储能装置伴随着时代发展的浪潮迅速得到发展和应用，它兼具着电容器能够快速进行充放电的特点以及电池的储能特点，与此同时，超级电容器较高的功率密度使其能够更好地适应于工况多变的情况，在需要大量用能的时候提供已储存的能量，在对能量要求较低的情况下回收多余的能量以便不时之需，这大大提高了能源的利用率减少了能源的浪费。在充电电路方面，超级电容器也比传统电池更胜一筹，超级电容器的充电电路更简单，更便于安装。

超级电容器的诸多优点吸引了各界人员的注意，将超级电容器应用于载运工具上的能量回收系统是其最主要的应用方式。本文在介绍了超级电容器的相关知识后，主要介绍了超级电容器在不同载运工具上的应用技术，如在汽车、公交车、轨道交通领域(包括有轨电车、内燃机车动车组）、电力推进船舶以及航空蓄电池起动车上面的应用，并针对超级电容器以后的发展方向提出了一些建议。

1.2超级电容器的概念及其历史发展

超级电容器是利用双电层和准电容机制将电能储存起来的一种新式储能器件，又可以叫做化学电容器。一百多年前，双电层理论为人们所知道，首先提出来的是一个叫做赫姆霍兹的科学家。超级电容器就是基于此原理被构建出来的。近几十年来，双电层理论开始用于能量的存储，以该原理为基础的电容器实施和发展就在这个时候开始，而超级电容器这个概念的提出却足足晚了20多年 ^[1]。超级电容器的历史发展如表1.1所示：

表1.1 超级电容器的历史发展

1.3超级电容器的国内外研究现状

由超级电容器能瞬间完成充放电以及能够回收利用再生制动能量，同时，作为无源器件，它的耐受工作电压足够高、能够使用的温度范围足够宽、损耗足够低、工作寿命足够长，这些都能够保证它在其所应用领域的稳定可靠地地位，国内外人士纷纷看到超级电容器具有的发展空间，各大生产超级电容器的企业如雨后春笋般崛起。

1.3.1超级电容器的国外研究现状

外国对超级电容器的研发开始得很早，因此，他们的技术水平相对来说也比较先进。很多国家在很早以前就将超级电容器列入了重点研发项目，并制定了长期研究计划[2]。国外主要的生产企业如表1.2所示，美国、日本、韩国等国家一直热衷于提高超级电容器的比功率和比能量，而提高超级电容器比能量最行之有效的方法就是提高电极材料的比能量，因此，开发一种在各种电解液中都能有较高比能量的电极材料就成为这些国家在研究超级电容器工作中的首选方向。其中，在创新型高性价比储能和输电解决方案的开发和制造领域居领先地位的是美国Maxwell科技公司。Maxwell就生产应用于城市混合动力客车制动能量回收系统的电容器的营收中有绝大一部分来源于中国市场。

表1.2 国外主要生产生产超级电容器的企业

1.3.2超级电容器的国内研究现状

近年来，国家出台了一些对新能源产业方面的扶持性政策，国内超级电容器产业抓住了这个机会得到了飞快发展。我国超级电容器的主要生产企业如表1.3所示：

表1.3 国内超级电容器的主要生产企业

国内虽然有50多家企业在进行大尺寸超级电容器的研究，但是其中只有五分之一能够大规模制造。

上海奥威是国内这一领域的佼佼者，它的产品性能丝毫不亚于国外，某些性能甚至已经领先。早在12年前，它生产的超级电容器就被应用到了上海11路公交车上。

与此同时，我国各大高校也加强了对超级电容器的研究。2014年6月，一辆用超级电器做储能器件的电动客车在哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所被研究出来 ^[3]。

1.4研究目的与意义

超级电容器的优点在化石能源的快速消耗和环境污染日趋严重的今天吸引了众多科研人员的注意，跟随着时代的发展，越来越多有关于研究超级电容器的企业出现，资本市场的推动使超级电容器被广泛应用于交通、电力、工业等领域。本文的主要研究内容为超级电容器在载运工具上的应用，包括新能源汽车（电动汽车、混合动力汽车）、新能源客车、储能式有轨电车、储能式无轨电车、内燃机车动车组、航空蓄电池启动车以及电力推进船舶等。本文的主要目的和意义是通过分析其在各类载运工具上的应用技术特点，为以后在其他新能源载运工具上的应用提供各种选择方式，以达到满足不同工具不同需求的目的。

第2章 超级电容器概述

2.1超级电容器的分类及其原理

超级电容器是一种新型储能装置，它介于传统电容器和充电电池之间，兼具电容器快速充放电的特性以及电池的储能特性。它在结构上包含一个正极和一个负极，这两个电极之间有一层隔膜，两个电极和隔膜分离出来的两个孔隙由电解液填补。如图2.1所示。

图2.1 超级电容器的结构

超级电容器有很多种分类方法。以它储存电能的机制作为分类依据，它主要分为两类：一类是双电层电容器，另外一类是赝电容器。以电极材料为分类依据主要分为三类：碳电极、金属氧化物以及导电高分子电容器。近年又发展出一种混合超级电容器(HSC——Hybrid super capacitor），之所以称其为混合超级电容器是因为它的正负极材料可以分别是电容材料或者电池材料，也可以是两种材料相混合后再作为电极，这一点与普通超级电容器不同。而其电极材料中含有电池材料这一点也可以让我们把混合超级电容器称为超级电池。此时它不需要增加另外的装置去调节两边的电流，这就使系统变得更简单，成本也降低了^[4]。

超级电池兼具电池和电容器的优势，这两者相结合的复合储能体系有两种：一种是内串型，另一种是内并型^[5][6]。内串型是指超级电容器的两个极分别为电池电极和电容电极，如正极使用活性炭材料而负极却为是Li₄Ti₅O₁₂ 或石墨等;考虑到内串型的正负极各是单一的电极，而作为其中一极的活性炭材料又被低能量密度所限制或者电池材料被低功率密度限制，就选择在内串型的基础上进行改进，也就是在电池材料中混入活性炭或者说在电容材料中混入电极材料，把这种电容材料与电池材料混在一起用作依噶电极的情况叫做内并型，在内并型中负极活性材料往往使用Li₄Ti₅O₁₂^[7]。超级电容器的分类如图2.2所示。

图2.2 超级电容器的分类

2.1.1双电层超级电容器的原理

双电层超级电容器储存电能的机制为：当电极板浸入电解液时，原本游离在溶液中的离子因为受到库仑力而被吸引到极板表面形成界面层。如图2.3所示，这个界面层在极板表面和溶液中分别有一个电荷层，所谓“双电层”即是基于此。这两层电荷由于隔离层的阻挡不能相互中和，就恰好符合平板电容器的原理。与平板电容器不同的是，在这里电极表面积由于电荷层的距离小且伴有大量的微孔、特殊电极材料如金属氧化物和导电高分子材料以及构成方式复杂而成指数倍地增加，继而使具有巨大的电容量。

图2.3 双电层电容器的原理

2.1.2赝电容器的原理

赝电容器储存电能的机制比双电层要复杂，原因在于赝电容器不仅通过和双电层电容器一样的机制储存电能，还通过准电容机制来储存电能。准电容机制就是通过某种方式将原本游离在溶液中的离子所带的电荷转移到电极中去，这种方式通常有两种：一种是发生化学脱附，另一种则是发生氧化还原反应。

图2.4 赝电容器的原理

2.2超级电容器的性能特点

超级电容器大多同传统电容器、电池相比，其技术性特征叙述如表2.1所示：

表2.1 超级电容器与传统电容器、蓄电池比较

从上表的对比来看，可以总结出超级电容器的性能特点，如表2.2所示：

表2.2 超级电容器的性能特点

从其特点可知，即使超级电容器的体积很小，它的电容量也可以达到法拉级，而且它不需要特制的充放电和控制电路，过充过放也不会对其使用寿命有太多危害，就环保方面来说，它也符合绿色的标准。此外，超级电容器还可以通过焊接技术防止接触不牢固。

2.3超级电容器的关键技术

超级电容器发展至今，超级电容器的关键技术如表2.3所示^[8]：

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