超级电容器应用领域探析

第一节 应用领域分析

一、存贮后备电源

超级电容器在有些场合可以替代电池工作，同时，可以避免由于瞬间负载变化而产生的误操作。在便携式仪器仪表中驱动微电机、继电器、电磁阀等，在一些带有机械动作功能的电话中，由于电话网的电流较小，不可能实现动作功能，因此要有一个电源对这一动作进行支持，电池也是一种选择，由于存在更换及维修的问题，超级电容器显示出优越性。

二、汽车子系统

汽车对大气环境造成很严重污染，使世界各国一直致力于研究开发和推广低排放或零排放汽车。车用内燃机燃料电控喷射技术的广泛应用，对降低汽车的排放起着划时代的作用。但电喷技术目前无法彻底解决内燃机启动和小负荷工况时油耗高、排放差的问题。电动车以其零排放的优点在市场上占有一定的份额，但是电池和充电设施不足以成为电动车发展的障碍。因此，一些知名的汽车公司如通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、日产等以成功地将动力同时采用内燃机和电动机电池组作为能源的混合电动驱动技术运用到汽车上，这种车称为混合电动汽车。混合电动汽车体现了电动汽车的高效率、低排放和内燃机汽车的长行驶里程、快速补充燃料的优点。目前，科研然员正致力于混合电动技术应用中的电池组、刹车能量回收、内燃机技术优化和如何降低成本等方面的研究。

三、工业应用

10多年来，消费电子一直是EDLC电容器的传统主流应用领域。三家大型日本厂商：Panasonic、Tokin和Elna多年来一直在销售EDLC钮扣电池，主要充当二次电池的替代品，在VCR中用于对CMOS时钟功能提供简单的保护，以及用于便携CD播放机中的应用以防止发生跳针现象。这个市场领域一直因价格不断下跌而倍受困扰。

但是，这个领域中的销量继续增长，而价格下跌却使这个市场的销售额保持在8,000万美元左右。有新的厂商加入这个市场，也是导致价格下跌的因素之一，这些厂商包括大型铝电解电容器制造商Nippon Chemi-Con、Nichicon、Luxon、NESS和KorChip，每家厂商都为消费电子市场推出了EDLC电容器产品。 

在该领域，汽车音频配件市场是一个利润率极高的应用。这些超级电容器的零售价格可能高达400美元，其电容值和额定电压并没有什么特别之处，但它们的封装设计很讲究，以取悦汽车音响鉴赏家。因此这类产品取得了成功，从而获利丰厚，EDLC电容器逐渐取代了曾经主导这个应用领域的铝电解电容器。我预期将来会有更多的EDLC钮扣电池应用，在CMOS时钟功能需要保护的任何应用之中，以及需要削减峰值功率以保护电池的所有领域。

目前我国工业电子行业迅速发展，随着下游行业的快速发展，我国工业电子行业仍将保持快速发展态势，我们预计未来几年工业电子领域对超级电容器需求将稳步增加。

第二节 超级电容电动汽车

一、在混合能源电动汽车应用

一、混合电动汽车

目前，世界上研究最为活跃的是将超级电容器与电池连用作为电动汽车的能量系统。对汽车而言，实际上发动机是一种极大的浪费，仅有一小部分被充分利用。比如一辆2吨重的汽车，要满足其顺利启动、加速、爬坡、需功率为150KW，而当它以80Km/h速度运行时仅需5KW的功率就可以满足要求，这时大部分功率没有发挥作用，甚至只是起到污染空气的作用，如果仅用蓄电池驱动这样的汽车，要提供如此高的功率，对电池的要求将很苛刻，而且会造成60％以上的能量浪费。如果采用电池/电容驱动系统这个问题就可以迎刃而解了。

混合电动车中的超级电容器，其最大的优点，就是充分发挥超级电容器在低转数，大负荷情况下，能量基本不受损失，避开内燃机在低转速、大负荷；高转速、高负荷费油的状态下运行，使发动机永远在最佳状态下运行，即省了油，又减少了污染，混合电动车能节油30％~50％，减少污染70％~90％，就是这个道理。

1、起步、加速阶段：转数低、负荷大、费油，我们用内燃机和电动共同驱动车辆。这时要用超级电容器向外放电。

2、车辆正常行驶时，由内燃机单独驱动。

3、在车辆处于低载荷工况时，内燃机驱动车辆行驶同时发电机开始工作向超级电容器和蓄电池充电，发电机的负荷使得内燃机工作在高效率区域。

4、车辆再生制动时：汽车在行驶过程中至少有30％的能量因热量散发和制动而消耗掉，刹车、停车、减速、下坡阶段，特别是在城市行驶，经常遇到红灯，这样不仅造成能源浪费，而且增加环境污染。如能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车启动、加速，可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的，所需时间较长，但制动时间较短，因而回收能量效果不佳。超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中能量回收，能吸收70％的动能，尤其城市公共交通，能节省大量的燃料，而且成本较低，应用前景广阔。

除了用于动力驱动系统、制动回收系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42V电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。另外，还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线。

在德国巴伐利亚州政府的支持下，MAN 和Siemens 、EPSOS公司 合作建立了欧洲第一辆采用柴油－电驱动和双层电容器作为大功率 储能装置的城市公交车。与常规柴油机驱动的车辆相比，燃料消耗减 少10～15％，而且舒适性提高，噪音和污染减少。该研究项目将来会把超级电容用于燃料电池车的驱动系统中。

瑞士中心应用科学大学（HTA－Luzerne）自1992年以来开发出一种适合车辆使用的能量存储系统—SAM（Super Accumulator Module），它是以超级电容和电池为基础组成的。并且在1997年开发的“蓝色天使”轻型混合动力车中仅使用超级电容组就拖动了瑞士联邦铁路公司的80t重的火车头。此项目还实现了储能系统完全由超级电容组成的16座4t的中巴车。

Nissan Diesel公司开发了一辆15t的“CNG＋C”串联式混合动力大客车（如图所示），续驶里程比常规CNG大客车提高了2.4倍。超级电容总重200kg，CNG发动机在最优效率点带动一个75kW的发电机工作。

另外，2003年本田公司的燃料电池轿车FCX-V3也采用了“FC＋C”的驱动结构。由于采用了超级电容器来存贮燃料电池生成的能源（以及刹车所回收到的能量），因此FCX在加速期间能获得强大的推动力。

二、改善现有汽车电池性能

蓄电池是汽车中的关键的电器部件，其性能直接影响汽车的启动。现在的汽车启动无一例外地采用启动电动机启动方式。在启动过程中特别是在启动瞬间，由于启动电动机转速为零，不产生感生电势，故启动电流为：I=E/Rm+Rs+Rl

其中：E为蓄电池空载端电压，Rm为启动电动机的电枢电阻、Rs为蓄电池内阻、Rl为线路电阻。由于Rm、Rs、Rl均非常低，启动电流非常大。例如用12V、45Ah的蓄电池启动安装1.9升柴油机的汽车，蓄电池的电压在启动瞬间由12.6V降到约3.6V！启动瞬时的电流达550A，尽管车用蓄电池是启动专用蓄电池，可以高倍率放电， 10倍以上的高倍率放电时的蓄电池性能变得很差，而且，如此高倍率放电对蓄电池的损伤也是非常明显的。汽车等车辆上使用的普通铅酸蓄电池约一、两年（或循环充放电500次左右）就要进行更换。使用不当的蓄电池寿命还会更短。启动过程的电压剧烈变化也是极强的电磁干扰，可以造成电气设备的“掉电”，迫使电气设备在发电机启动过程结束后重新上电，计算机在这个过程中非常容易死机。因此，无论从改善汽车电气设备的电磁环境还是改善汽车的启动性能和蓄电池的性能、延长使用寿命来考虑，改善汽车电源在启动过程的性能是必要的。

问题的解决方案可以加大蓄电池的容量，但需要增加很多，使体积增大，这并不是好的解决方案。将超级电容器与蓄电池并联可以很好地解决这个问题。当内燃发动机起动初始最困难的时候，由超级电容器向起动机提供了强大的起动电流带动发动机转动；在蓄电池克服其内阻开始放电时，因为起动最困难的时候已渡过，发动机已经转动，起动负载变得很小，此时只需蓄电池提供较小的电流支持到发动机正常运转即可；尤其在提高汽车在冷天的起动性能（更高的起动转矩）上，超级电容器是非常有意义的，在零下20摄氏度时，由于蓄电池的性能大大下降，很可能不能正常启动或需多次启动才能成功，而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点是非常明显的。普通铅酸蓄电池的寿命一般可以延长一倍以上甚至更长达到3-5年；实际使用证明，即使蓄电池丧失了大电流放电能力，容量下降到原配蓄电池标称容量的 1/ 5 时还可以依靠超级电容器正常的启动车辆。

三、综上所述我们得出：

（一）、超级电容器比功率大，其特性是：充电时，充电量大，充电快；放电时，放电量大，放电快。在电动车辆运行时，起步快，加速快，爬坡有力，比铅酸电池大30多倍，这是电动车能用得上最重要的性能。

（二）、超级电容器比能量小，其特性是：同等重量超级电容器续驶里程，仅为铅酸电池的1/3，这是超级电容器一大缺陷。超级电容器续驶里程短，跑不远；但充电速度快，可以弥补续驶里程短的缺陷，补救的方法是：1、与燃料电池或蓄电池连用；2、在城市交通线路的两头建立充电站，这样超级电容器电动车的续驶里程，可以不受限制。

（三）、超级电容器是当前汽车蓄电池的好伴侣和保护神，也是绿色环保型高科技产品。当车辆安装了超级电容器，既为使用车辆带来了方便也减少了蓄电池的使用量，为中国大地也减少了一分铅的污染。用实际行动为中国的环保事业做出了贡献，为我们的子孙后代做了功德无量的好事。

所以，超级电容器作为一种快速储能元件，具备发动机和蓄电池的优点，单独使用不一定能满足设计者需要，但可以和其它储能元件联合起来使用，满足设计要求。在这样的背景下，大力开展超级电容器的研究是非常必要的。随着我们对超级电容器性能和结构的不断改善，超级电容器在今后必定会有一个非常广阔的发展空间。

二、纯电动汽车研发情况

目前人们所说的电动汽车多是指纯电动汽车，即是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车。它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。从外形上看，电动汽车与日常见到的汽车并没有什么区别，区别主要在于动力源及其驱动系统。即纯电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。

电动汽车是针对内燃机车辆提出来的概念。谓之“电动”，是因为它的能源是蓄电池而不是汽油（或柴油）等石油产品。纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。电动汽车无需再用内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，由于电能是二次能源，可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式。

纯电动汽车-结构

电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施蓄电池六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此蓄电池汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。

纯电动汽车-原理

纯电动汽车，顾名思义，是由蓄电池的能量使电机驱动车轮前进；燃料电池区别于纯电动汽车，由常见的氢燃料电池不断的产生电能，并储存在蓄电池中，依然由电机驱动车轮。混合动力汽车是为解决纯电动汽车续驶里程短而提出的一种折中方案。它既有发动机，又有电机，可单独由电机驱动或发动机参与电机驱动。系统的复杂性增加，但是改善了发动机的工作状况而具有很高的燃油利用率，通常也把它归入电动汽车。

纯电动汽车-分类

就开发的电动汽车来讲，可分三类：纯电动汽车（Pure EV）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料电池汽车（FuelCell Vehicle：FCV）。纯电动汽车-优点 电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。

有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个"热点"。

纯电动汽车-应用

纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池等) 提供动力的汽车。目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验,各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司、深圳雷天公司等单位研发的纯电动轿车,其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标已达到甚至超过国外同级别车型, 初步形成了关键技术的研发能力。目前, 进行纯电动汽车示范运行的城市有若干个, 但是规模都比较小。2005 年1 月, 天津市的22 辆轿车和1 辆公共汽车的示范运行通过了国家验收。同年12 月, 武汉市进行的95 辆纯电动小型公共汽车(另有20 辆混合动力公共汽车和3 辆混合动力轿车) 的3 年示范运行也通过了国家验收。因为纯电动汽车受到续驶能力的约束, 纯电动汽车试验主要集中在小型公共汽车上。湖南省株洲市有50 台小型电动汽车进行社区内运行, 该市有若干辆电动公共汽车也在运行中。同年4 月, 浙江省杭州市启动了电动汽车示范项目, 6 辆轿车和5 辆公共汽车在市内进行示范运行。

纯电动汽车-面临的问题

动汽车的困难是目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些试用结果比汽车贵，有些结果仅为汽车的1／3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。

纯电动汽车-现状

1、发达国家与主要汽车集团的电动汽车现状

国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车, 世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发,并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展。

美国目前正在大力研制和推广使用燃料电池电动汽车和纯电动汽车, 政府能源部与通用、福特和戴-克三大汽车制造商联合开发燃料电池电动汽车。现在, 美国已有7 个州加入了零排放计划, 到规定年限后这些地区销售的汽车必须为零排放,即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。

以美国蓝鸟客车公司、英国的FRZAERNASH公司、日本丰田、日本本田为代表的电动客车和轿车已经上市,英国已有数万辆电动汽车在使用;

法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一, 成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会,巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施, 制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策, 且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。

在近年的国际性大型运动会上,电动汽车也成为各国展示其科技实力和环保意识的工具之一。亚特兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司生产的纯电动客车作为公务和电视转播车,悉尼奥运会购买了英国FRAZER- NASH 公司的近400 辆电动客车作为运动员接送车辆。混合动力电动汽车领域,本丰田公司开发的Prius 和本田公司开发的Insight2 种混合动力电动汽车已开始批量投放市场。丰田公司的Prius 销售已在2006 年累计突破150 万辆, 并于2005年底在我国长春一汽进行了组装生产和销售。日产公司也于2003 年推出Tino 混合动力汽车, 在日本国内市场上销售了100 多辆。欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车, 甚至德国的博世(BOSCH)等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。美国已有近20 个城市试验使用混合动力电动公交车,瑞典、法国、德国、意大利、比利时等国计划在9个欧洲城市开通混合动力电动公共汽车线路。燃料电池电动汽车斩露头角, 国外企业界纷纷组成强大的跨国联盟, 以期达到优势互补的目的。如日本丰田与美国通用公司, 日本东芝公司与美国国际燃料电池公司, 德国BMW公司与西门子公司, 雷诺汽车公司与意大利De Nora 公司分别组成联盟开发燃料电池电动汽车;日本也已投资数亿美元开发燃料电池电动汽车。其中, 以加拿大的巴拉德、美国的福特、德国的戴姆勒- 克莱斯勒联(XCELLSIS)最具代表性,该联盟投资10亿加元开发生产电动汽车用燃料电池动力系统。在燃料电池电动汽车的研发热潮中, 几乎所有的国外大型企业集团全部介入, 投入的总额超过百亿美元。但是,由于燃料电池的成本和寿命问题, 使得这一项目目前进展缓慢。在燃料电池电动汽车的示范运行方面, 世界各国也都不约而同地把注意力集中在大客车上, 如欧盟的CUTE示范项目、UNDP/GEF 燃料电池商业化示范项目、美国加州的CAHFC 示范项目和日本的JHFC计划等。与此同时, 部分国家政府为促进电动汽车的发展,通过财税手段调整汽车发展结构。像美、日等国政府对于电动车产品给予10%的鼓励性补贴, 荷兰政府的补贴更是高达30%。并对传统汽车开征燃料税,如欧洲部分国家燃料税高达200~300%,最低的美国也有34%。

2、中国电动汽车现状 

中国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早, 但国家从维护能源安全,改善大气环境, 提高汽车工业竞争力, 实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑, 从“八五”开始到现在, 电动汽车研究一直是国家计划项目, 并在2001年设立了“电动汽车重大科技专项”。通过组织企业、高等院校和科研机构, 集中各方面力量进行联合攻关, 现正处于研发势头强劲阶段,部分技术已经赶上甚至超过世界先进水平。“电动汽车重大科技专项”实施以来, 已成功开发出燃料电池汽车样车, 累计运行数千公里; 混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过百万公里; 纯电动汽车已通过国家有关认证试验。纯电动汽车-发展 电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。中国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。电动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，中国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。中国现今人均汽车是每1000人平均10辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平---每1000人有110辆汽车，中国汽车持有量将成10倍地增加，石油进口就成为大问题。因此在中国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。经历了长期发展，纯电动汽车技术逐步成熟，并在美、日、欧等国家得到商业化的推广应用。目前世界上有近4万辆纯电动汽车在运行，其中法国8000辆，美国7000辆，在日本7400辆。主要用在公共运输系统。纯电动汽车-核心技术

发展电动汽车必须解决好4个方面的关键技术：电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。

1、电池技术 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。到目前为止，电动汽车用电池经过了3代的发展，已取得了突破性的进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉(NJ-Cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破问。

2、电力驱动及其控制技术

电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)4类。近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)，它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在电动汽车上得到了广泛的应用。PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电动机。开关磁阻电动机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用发现SRM存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。

3、电动汽车整车技术

电动汽车是高科技综合性产品，除电池、电动机外，车体本身也包含很多高新技术，有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。采用轻质材料如镁、铝、优质钢材及复合材料，优化结构，可使汽车自身质量减轻30%-50%；实现制动、下坡和怠速时的能量回收；采用高弹滞材料制成的高气压子午线轮胎，可使汽车的滚动阻力减少50%；汽车车身特别是汽车底部更加流线型化，可使汽车的空气阻力减少50%。

4、能量管理技术

蓄电池是电动汽车的储能动力源。电动汽车要获得非常好的动力特性，必须具有比能量高、使用寿命长、比功率大的蓄电池作为动力源。而要使电动汽车具有良好的工作性能，就必须对蓄电池进行系统管理。能量管理系统是电动汽车的智能核心。一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的能量源(即电池)外，还应该有一套协调各个功能部分工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的荷电状态，并根据各种传感信息，包括力、加减速命令、行驶路况、蓄电池工况、环境温度等，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命。世界各大汽车制造商的研究机构都在进行电动汽车车载电池能量管理系统的研究与开发。电动汽车电池当前存有多少电能，还能行驶多少公里，是电动汽车行驶中必须知道的重要参数，也是电动汽车能量管理系统应该完成的重要功能。应用电动汽车车载能量管理系统，可以更加准确地设计电动汽车的电能储存系统，确定一个最佳的能量存储及管理结构，并且可以提高电动汽车本身的性能。在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。

纯电动汽车-研发历史

一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了三次重大机遇：第一次发生在一百余年前。由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。第一辆电动汽车（3轮）由法国人古斯塔夫•土维（Gustave Trouve）在1881年制造出来，此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。例如，世界上首辆车速超过100公里／小时的汽车就是电动汽车。那是在1899年，由比利时工程师卡米乐•热纳茨（Camille Jenatzy）设计的名为“从不满意”（La Jamais Contente）的铝制车身汽车，现在保存在法国贡批尼（Compiegne）博物馆中。据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有38％为电动汽车，40％为蒸汽车，22％为内燃机汽车。到了1911年，就已经有电动出租汽车在巴黎和伦敦的街头上运营，到了1912年在美国更有至少3.4万辆电动汽车运行。第二次是在70年代石油危机的爆发时.由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车渐渐被人们忽视。直到上世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济方面考虑，才又给了电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。第三次机遇开始于若干年前，世界上除了已存在的能源问题之外，环境保护问题也逐渐成为了各个方面所关心重大课题，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾难性的影响，因此开发生产零污染交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的无（低）污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向。

第三节 超级电容器其他应用

一、汽车电子上的应用

一、超级电容器的技术特点

超级电容器的研制成功是储能设备（蓄电池）的一次革命：其他储能设备，都是由电能转变成化学能，再由化学能转变成电能，两次转变能量有损失，超级电容器直接充电，再直接放电，能量形式没有转变，能量也没有损失；充放电效率高达98％，经济价值大。

超级电容器是上个世纪七十年代末，出现的一种产品，它突破了传统的电容器设计思想，电容器由微法拉级提高到法拉级（1法拉=106微法拉），创造出1000法拉级超级电容器；到上个世纪末，又先后出现了10,000-100,000法拉的牵引型超级电容器，从此超级电容器开始进入电池应用市场，出现了超级电容器电动车的新概念，它以其优异的性能，改变了人们的传统认识，建立了全新的交通运输电动车的设计思想。

超级电容器比功率大，其特性是：充电时，充电量大，充电量快；放电时，放电量大，放电量快。在电动车辆运行时，起步快，加速快，爬坡有力，比铅酸电池大30多倍，这是电动车能用得上最重要的性能。

超级电容器比能量小，其特性是：同等重量超级电容器续驶里程，仅为铅酸电池的1/3，这是超级电容器一大缺陷。超级电容器续驶里程短，跑不远；但充电速度快，可以弥补续驶里程短的缺陷，补救的方法是在城市交通线路的两头建立充电站，这样超级电容器电动车的续驶里程，可以不受限制。

二、超级电容器的优点：

1、超级电容器是绿色能源（活性炭），不污染环境。

2、超级电容器寿命长（50万-100万次）；铅酸电池寿命短（700次），易损坏，难管理，是铅酸电池的700~1400倍，可以与设备同命运。

3、超级电容器充电速度快（0.3秒~15分钟）；铅酸电池充电时间长（5~8小时），很多电池就是充电时间长，续驶里程短。

4、超级电容器充放电效率高（98％）；铅酸电池充放电效率低（70％）；

5、超级电容器功率密度高（10.000W/kg）；铅酸电池功率密度低（300W/kg），差30多倍。

6、超级电容器彻底免维护，工作度范围（-40~＋70）；机动车在-15℃时启动已经困难，而用超级电容器即使是在-30℃时，仍能顺利启动。铅酸电池电动车在-40℃续驶里程减少90％，超级电容器只减少10％。

7、超级电容器电动大客车能量回收强，紧急制动能量回收高达75％；铅酸电池能量回收仅为5％，这点对公共大客车太重要了，可以节约大量的燃料。

8、相对成本低。超级电容器价格比铅酸电池高一倍在大量生产后价格还会下降；但超级电容器的寿命比铅酸电池高700～1400倍，这点对公共大客车产业化非常重要。

三、二元动力超级电容器电动车为什么能省油？为什么能减少污染？

二元动力超级电容器电动车，其中最大的优点，就是充分发挥超级电容器在低转数，大负荷情况下，能量基本不受损失；在减速、下坡、刹车情况下，其能量能回收。避开内燃机在低转速、大负荷；高转速、高负荷费油的状态下运行，使发动机永远在最佳状态下运行，即省了油，又减少了污染，二元动力超级电容器电动车能节油30％~50％，减少污染70％~90％。

——起步阶段：转数低、负荷大、费油；这个阶段内燃发电机组在最佳状态运转，这时要用超级电容器启动、加速，并向超级电容器充电。

——正常运转阶段：这时内燃发电机组是在最佳状态运行，并向电动机输出动力，这时公共大客车负荷最小，也最省油，并向超级电容器充电。

——高速运转阶段：内燃发电机组向电动机输出稳定的动力，超级电容器也向电动机输出动力。这个阶段电动机转数高、负荷也大，公共大客车车速也最快。

——刹车、停车、减速、下坡阶段：这时发电机组、超级电容器停止向电动机输出动力，这时大客车所储备的动能，电动机转变成发电机向超级电容器充电，能吸收70％的动能，尤其城市公共交通，能节省大量的燃料。

由于现在石油价格的飞涨,国外一些汽车企业已经把超级电容应用到汽车上,汽车在下坡时把能量以电能的方式储存起来,在爬坡时或需要大功率时释放出来.这样就降低了使用成本.

四、我国在超级电容器技术方面处于领先地位

我国黑龙江、哈尔滨巨容公司，经自主研究开发超级电容器，在技术上在国际上处于领先地位，拥有独立的知识产权，产品的技术水平与俄罗斯同类产品相近。俄罗斯的产品被17届国际电动车年会（EVS-17）评价为目前国际上最先进的超级电容器，知识产权价值2亿美元。

我国哈尔滨巨容公司的超大电容VC系列产品是采用国内各种成熟技术，以优化组合而制成的，所以具有成熟的技术基础和产业基础。产品经过几年的运行试验，性能指标完成符合设计要求，产品已列入了国家的863项目，并出口到美国、加拿大等国家。

以上情况证明该产品的技术具有一定的先进性和成熟性，具备了装备各种电动车的基本条件。

五、建立城市公共交通现代化新模式

1．城市公共交通的特点：公共交通线路站点固定，长度一般在8-11公里，最长线路一般不超过13公里。车辆运行速度一般在20公里/小时左右；调整行驶一般在40公里/小时左右。车辆启动、停止、刹车、变速频繁，车辆在终点停留时间长，通常停留时间约在15-30分钟。

2．建立超级电容器电动大客车专线：线路两头设立充电站，每台充电站可以同时充3-5辆超级电容器电动大客车，充电时间约在15-30分钟。

3．超级电容器电动大客车性能：用超级电容器装备能乘坐50人的公共大客车，超级电容器重量约为800-900公斤，一次充电可行驶15公里，最高速度约为40公里/小时。

4．超级电容器电动大客车优点：

⑴超级电容器电动大客车优点——环保、节能、成本低！

⑵超级电容器具备的优点，超级电容器电动大客车都具备。

⑶超级电容器电动大客车制动、减速、下坡的能量可以回收，紧急制动，能量回收率约为50-70％；铅酸电池能量回收率仅为5％。

⑷超级电容器电动大客车不受续驶里程限制，可以和汽油车、柴油车在线路上一样行驶。

二、在税控机上的应用

税务部门推广使用税控装置，运用国际先进的监控手段堵塞发票漏洞，相当于给每一台税控装置装上了类似飞机的“黑匣子”， 能储存企业近期的经营信息、开发票的情况等，于是出现了一系列的税控产品，如税控收款机、IC卡税控加油机。

此类税控装置都应该具有断电保护功能，即当出现突然断电时，仍能将数据存储，并能进行短时间IC读写卡的操作过程，这时需要有后备电源作保护。一般常用的方法是利用蓄电池进行供电，但存在某些弊端，如下表。超级电容器又叫法拉电容，是一种新型的储能元件，其特性介于电池及普通电容器之间，可以作为税控装置可靠的后备电源。

在断电时，由超级电容器为控制电路提供能量，CPU可在短时间执行数据存储过程，读写完成后，电容器再提供瞬间脉冲电流（几A），将IC卡弹出。

超级电容器在太阳能光伏产品上的应用

◆LED：高亮发光二极管

◆R1，R2：限制电阻

◆C：陶瓷电容

◆D1：普通二极管

◆K：受控开关

◆工作过程简述如下：

当白天光线较强时，光电转换器将光信号转换为电信号通过二极管给超级电容器充电，受控开关K处于断开，LED不亮；夜间光线弱时，光电转换器停止向超级电容器充电受控开关K导通，超级电容器开始向LED放电，直至光电转换器再次工作。

◆超级电容器充放电时间计算方法

一般应用在太阳能指示灯上时,LED都采用闪烁发光,例如采用一颗LED且控制每秒闪烁放电持续时间为0.05秒,对超级电容器充电电流100mA,LED放电电流为15mA。下面以2.5V50F在太阳能交通指示灯上的应用为例,超级电容器充电时间计算如下：

C×dv=I×t

C: 电容器额定容量；

V：电容器工作电压；

I：电容器充电；

t: 电容器充电时间

故2.5V50F超级电容器充电时间为：

t =(C×dv)/I

=(50×2.5)/0.1

=1250s

超级电容器放电时间为：

C×dv-I×C×R=I×t

C: 电容器额定容量；

V：电容器工作电压；

I：电容器放电电流；

t: 电容器放电时间；

R：电容器内阻

则2.5V50F超级电容器从2.5V放到0.9V放电时间为：

t =C×(dv/I-R)

=50×[（2.5-0.9）/0.015-0.02]

=5332s

应用在LED上工作时间为5332/0.05=106640s=29.62小时

三、在电力系统中的应用

一．超级电容器在直流屏中的应用

超级电容器是一种专门用于储能的特种电容，实现了电容量由微法向法拉级的飞跃，是一种理想的大功率物理电源。它不需要任何维护和保养，寿命长达10年以上，用它来代替老式电容储能硅整流直流屏，和蓄电池将产生革命性的进步。

使用超级电容器替代传统直流屏的特点如下：

1、 无任何种蓄电池都需要配置一套精确的，性能优良的充放电装置。这套装置故障率相对较高，而用超级电容的直流屏可简化这套装置，降低了故障率，使成本下降。

2、 蓄电池过充电、过放电都会缩短使用寿命，而超级电容不存在过充电、过放电的问题，只需限制最高充电电压就行了。

3、 蓄电池有较大的维护量，即便是免维护蓄电池，同样需要维护；而超级电容只需定期检测其容量是否下降就行了，做到了真正意义上的免维护。

4、 蓄电池一旦过放电，要恢复其容量得充电数小时；而超级电容恢复到额定电压，仅需几分钟。单只电容合闸后端电压下降5V，数秒钟即可复原。

5、 电网停电后，直流屏依靠蓄电池放电来维持直流母线电压，电池组的能量毕竟有限。停电时间过长，会使电池的能量放完，如不加限制，必然会导致电池组电压下降到终止电压以下而受损，甚至无法再充电而报废。而超级电容当电网停电后，在带有经常性负荷的情况下仍可保证几百次的跳闸和数次合闸。这一点对具有综合重合闸装置和备用电源自动投入装置的中小型终端变电站足矣。

二．超级电容器在智能型电力表（或其他智能仪表）中的应用

目前电力系统中普遍使用远程抄表系统。远程抄表系统一般要求在几十毫秒之内完成电表数据的采集。目前一般采用普通电池作为断电备用电源。而普通电池一般的使用寿命一般是3年左右，超过使用年限就必须更换。而超级电容器的特点是充放电次数可达10万次以上，寿命可长达50年以上，真正实现终身免维护。

三．超级电容器在电力行业短距离通信备用电源方面的应用

目前在电力行业中有一项先进技术，用户可以通过手机从特殊的电力装置收到自己电表或电力故障等方面的信息。而这种特殊的电力装置在断电的时候，需要系统提供几秒内的供电，以发射相应信息。目前这项技术也是采用普通电池。如果用超级电容器来替代普通电池，也可以实现可靠地向这种电力装置供电。真正实现免维护。

四．超级电容器在小型电站中作为储能装置的用途

前在偏远地区采用太阳能、风能、化学能（石油等）方法来发电。而发电的储能装置采用电池。电池的储能能力非常高，但功率密度比较低。如果能够用超级电容器替代电池，可以有以下特点：

1、保障大电流充放电的效率。

2、多次充放电不会降低储能装置的性能，实现终身免维护。

3、保证低温（－40℃）高温（70℃）情况下的正常工作。

四、永磁式真空开关中的应用

随着电力事业的飞速发展和城乡电网建设水平不断进步，交流高压真空断路器产品发展特别迅速，产品的更新换代步伐进一步加快，而且在电力系统中电力电子技术的发展，也使以采用免维护浇注式真空灭弧室并配备永磁机构和电子控制装置进行操纵的真空断路器日益普及。特别是在某些特殊应用场所，如矿井、油田等防爆要求严格和环境限制使用油开关与SF6开关，与应用空开触点操纵机构受限的地方，采用真空断路器是最佳的选择。而在对永磁操纵机构的电源供给上，由于缺少能够较理想的在瞬间提供足够合分闸动作电流的器件，因此大部分产品还是采用以下两种解决方案，但效果都不太理想。

（1）使用大功率电源，但由于合分闸瞬间需要较大瞬时动作电流，电源模块能够提供的电流幅值有限，所以响应速度慢。并且体积庞大，本钱昂贵，技术复杂，维护量大。

（2）使用大容量电解电容。固然电解电容能够提供瞬时大电流，比大功率电源的性能有所进步，但由于容量所限，放电持续时间短，放电电流幅值过于陡峭，造成合分闸效果不太可靠。

超级电容器的问世使这一题目能够得到较好的解决。由于超级电容器的超高容量（比普通电解电容容量高出3个数目级）和快速充放（可直接短路放电）的特性，使它特别适合于永磁式真空开关瞬间动作时间短（≤150ms），动作电流大（>20A），动作间隔时间长（≥15s）的使用要求。

简单的讲，其原理就是利用常规电源模块在合分动作的间隔时间内，对超级电容器组充电，在动作期间，超级电容器作为主要能源提供者，利用超级电容器的超高容量在不少于动作规定时间内，快速开释大电流，驱动合分闸线圈吸合电磁铁动作。

例如，设某型号真空开关：

线圈内阻 3.5Ω

动作电压120V

动作时间是150ms（按合闸时间计算）

正常动作电流20A

动作维持电流是15A

（此参数很重要，它表示在动作的最后时刻线圈中应维持的电流，若此项设为0A，则由于在即断开而未彻底断开时线圈失电，操纵机构力矩消失而影响动作效果，一般应为正常动作电流的75%）

安全动作间隔时间15s

则可依照以下几个步骤计算选择超级电容器。

（1）确定串联单体超级电容器的个数。设直流电源模块输出电压20%波动率，即 VW＝120V×20%＝144V，定为150 V。由于单体超级电容器的耐压有限（设最低值2.5V），所以需要将多个单体超级电容器串联，串联的个数为：

150（V）/2.5（V）=60个

这里需要说明，在充放电期间每个串并联的超级电容必须保证电压均衡一致，并且端压降永远不能高于耐压值，因此需要为超级电容器组附加电压均衡电路。

（2）确定电容器组的内阻。在瞬时大电流工作的应用中，假如超级电容器的内阻偏大,在放电回路中的提供给合分闸线圈的电流不足,会严重影响合跳闸效果。因此，在此类应用中，由电容器内阻引起的压降不可忽略。

根据公式

R=（Vw-Vmin）/I

可得

R=（150V-15A×3.5Ω）/20A=4.875Ω

即电容器组的内阻≤4.875Ω,4.875/60=0.08125Ω，即每个单体超级电容器内阻≤81.25mΩ。因此可选择等效串联内阻在81.25mΩ以下的超级电容器。查产品手册可得容量选择应在10F以上的超级电容器。

（3）确定超级电容器的容量。根据公式：

C=It/（V-IR）=20（A）×0.15（s）/（150-20×4.875）（V）≈0.057F

由于相同电容器串联的容量是单体容量与串联电容器数目的比值，因此可确定单体电容器的容量为：

C=0.057（F）×60≈3.42F

设计选型中考虑到放电期间超级电容器模块组内阻压降，选择10F超级电容器能够完全满足需要.则此超级电容器组的容量是:

C=10（F）/60≈0.167F

可将60个超级电容器串联焊接在嵌有电压均衡电路的电路板上。施加在超级电容器模块组两真个电压不能超过额定值。假如电容器充电后不能达到工作电压值，其输出的电流会大大降低。这一点也很重要。

在实际应用中，我们为锦州华光真空开关厂提供电容器组与该厂生产的矿用真空开关配套，开关合分动作效果良好，完全满足设计要求，已通过试验阶段，即将批量生产，投进市场。

超级电容器可以替换复杂的电气操纵机构，并且性能可靠，完全能够做到在使用寿命期间免维护。因此可以乐观的展看，超级电容器在永磁式真空开关中的应用非常广阔，远景良好。

五、在玩具中的应用

遥控电动飞机、跑车等玩具的电源要求具有重量轻、体积小、可以快速充放电等特性。超级电容器因其大容量、快速充放电、超长工作寿命以及安全可靠无污染等特性成为电动玩具类产品的理想电源。

德国GALERIE MEINER 生产的一种商标名为Condensor Plane （右图）的电动模型飞机采用的是日本ELNA 公司的“GoldCap”驱动的，该电容器容量为3.3F,电压为2.5V 。韩国最大的铝电解电容和金属膜电容生产厂家NuinTEK 公司声称，他们生产的产品比“GoldCap”具有更高的容量和更小的重量。例如，模型飞机中原来采用的“GoldCap”体积为23 by 13 mm(length x diameter)，而具有3F 相似容量的NuinTEK 公司产品体积只有21 x 8 mm.，明显要小的多，在要求采用容量大质量轻电源的飞行类电动玩具上极有竞争优势。

NuinTEK 公司还开发20F 和25F 产品，为了验证其在玩具飞机中的应用前景，用户进行了部分实验和对比。实验平台还是图中所示的Condensor Plane 飞机，实验者将其固定在卡钳上，换装不同的电容器后测试马达的转动时间，工作电路非常简单，电容器通过一个开关和马达直接相连，没有任何保护电路板之说。图中列出了两家公司的电容器产品，从左到右分别为GoldCap 3,3 F @ 2,5 V (Original)，SuperCap3 F @ 2,7 V ，SuperCap 10 F @ 2,3 V ，SuperCap 20 F @ 2,5 V ，SuperCap 25 F @ 2,3 V 。具体实验方法是先通过充电设备模拟实际情况对电容器进行充电，与我们平时概念不同的是，玩具飞机的充电器（和一个随身听大小差不多）采用恒电压2.5V 的方式对电容器进行充电。充电开始电量一般在1A 左右，充电过程中电流不断减小，当达到30mA以下时默认为充电完成，对于20F 以上的电容器，则电流降至50mA 以下时默认充电完成。虽然实际情况下使用者尤其是儿童总是通过延长充电时间来希望充入更多的电量，这对于要求较长充电时间的大容量型电容器非常有利，但是过长的充电时间其实是没有什么用处的。“goldcap ”在充电16 秒后马达可以转动48 秒以上，但是在空中其不可能飞行48 秒，一般也就是滞空30 秒，而同样重量的NuinTEK SuperCap 10 F @ 2,3 V 产品在充电一分钟后马达转动151 秒，估计滞空时间长达一分半钟，虽然充电时间较长，但完全可以通过设计较大功率的充电器来获得更大的充电电流并解决上述问题。20F和25F 的产品具有更好的性能，但是其较大的重量对玩具的性能可能产生影响，因为玩具飞机本身的重量不过12g ，而且电容器安装在飞机的头部位置。飞机中使用的2.5V 小型马达的启动电流是0.6A, 这对于超级电容器而言完全不成问题。NuinTEK 认为其从3F 到60F 的超级电容器产品都可能作为电动玩具的电源，例如可以用于驱动个头更大的飞机。

国内也有类似玩具飞机出售，其动力电源是两节1.2V 镍铬电池串联，每节电池体积与GoldCap 3,3 F @ 2,5 V 电容器类似，但是重量要大的多，飞机明显头重脚轻，充电器是四节一号干电池，两并两串，从容量来看，这么大的充电器目的就是产生较大的充电电流以达到短时间完成充电的目的。飞机售价80 元人民币左右，整个飞机结构主要由木线和泡沫塑料以及纸构成，成本主要集中在电池和马达上，利润很高，我们的超级电容器在这方面的应用中颇具竞争优势，但是不足之处是我们的超级电容器体积稍微大了一点。

六、矿山提升机变频器中的应用

一．概述

国产超级电容器已有多个品牌推向市场，不失时机地把这种新型优异无源储能元件应用到电子、电器设备中去是整机厂商责无旁贷的任务。

超级电容器（Supercapacitor或Ultra-capacitor）商业应用在国外已有20多年的历史。它功率密度极高、充电时间极短、使用寿命极长等优异特性是常规电容器所无法比拟的，其应用前景十分广阔，尤其在电源业将会有上佳的表现。

变频调速系统已在泵类、风机类负载上广泛应用，并且普及势头强劲，这是因为大家对变频器调速性能之优良、节能效果之明显有了深刻认识。变频调速系统在提升类负载上的推广不象以上两类负载那么顺利，那么广泛。其原因却很简单，那就是提升机，特别是大容量提升机对变频器要求太高，使得在这个领域推广变频器风险很大，例如矿山提升机，它是24小时连续作业，哪怕是十分钟的故障停机，也会打乱操作秩序，给生产带来麻烦和损失。从技术上讲，它要求变频器有两倍于额定转矩以上的启动转矩、1.6倍额定转矩以上的低频转矩、大于额定转矩的制动转矩，有时还对加速转矩有很高的要求。更有甚之，还要求四象限运行。因为重物下放时，在重力的作用下，转子的转速可能大于定子旋转磁场的转速，电动机变成了发电机，再生能量使母线电压升高，此时必须把这部分能量迅速转移，或回馈电网或用耗能电阻消耗掉。还有，矿山电网波动大、空气中粉尘含量高，这给变频器的可靠性带来很大威胁。以上这些因素使得提升机变频调速化困难较大,进展缓慢。

不管矿山提升机提出了怎样的要求,变频器生产厂家都必须想法克服,因为这是一块非常大的市场,如果问题解决的好,将对我国矿山开采业的发展有非常大的影响。当前矿用提升机多用机械变速或用线绕式异步电动机调速。线绕式异步电动机调速方法是转子串电阻，这种系统属于有级调速，转差功率大、启动电流和换档电流冲击大、中高速运行震动大、制动不安全不可靠、对再生能量处理不力、运行中调速不连续容易掉道，故障率高。总之变频器配套提升机十分必要，原提升机进行变频改造，任务繁重又迫切。

2000年山东风光电子公司已经把变频器推广到了矿山提升机，已经正常运行两年多，用户们反映良好。当时对再生能量的处理办法是回馈电网，这当然是个好办法，但由于电网波动大，再生能量回馈时对电网有冲击，或者说对电网有一定程度的污染，处理再生能量的原始办法是耗能电阻，这部分能量被白白浪费掉，该电阻容易烧坏且要求很大的散热空间。

二、处理再生能量的新思路

现在市场上，有一种新型大容量储能元件——超级电容器。据文献介绍，超级电容器的技术参数可达：

容量0.2～600F

耐压14～400V

寿命十年以上，而且免维护

若用1F、400V的电容器C，充满电时所储的能量为

WC=（1/2）CUC2=1/2（400）2=80000=80（KJ）

式中UC为电容上的电压。

由此可见，所储能量十分可观。我们拟将这种器件用来处理再生能量。选用合适容量、合适耐压的超级电容器作为再生能量的存储器，电机进入发电状态后，母线电压上升，这时为电容充电，使母线电压下降。当再生发电过程结束、母线电压回落到安全值时，让大电容向母线放电，将存储在电容上的电能再回馈到母线上去，我们认为这种思路是可行的。 

三、充电、放电回路的设计

主回路如图所示。

图表 50  超级电容充、放电回路

超级电容器以CB表示，其额定电压为UCBO，瞬时电压为UCB，

母线电压为UBUS，所允许的最大值为Umax，

L为能量转换电感,

BT3为耗能支路的通/断控制开关。

斩波驱动信号的波形如图所示。

图表 51  斩波驱动信号的波形

1、CB容量的选择

现有超级电容的额定电压最高为400V，只可取这种电容器，为安全起见，取UCBO=350V，设提升重量为WG（kg），重物最大速度限定为Vmax（m/s）。

当WG以Vmax速度下滑时，使用电动制动（例如直流制动），让速度降为零，动能将全部转化成再生电能。现要把这部分能量储存在CB上，

（1/2）CBUCBO2=（1/2）WG（Vmax）2

用户给定：WG=6000kgVmax=4.7m/s

CB=[WG（Vmax）2]/UCBO2=[6000＊（4.7）2]/3502=1.07（F）

市场上400V的超级电容，单支最大容量为0.58F，所以要用两支并联使用，实取数值为：

CB=0.58＊2=1.16F2、充电斩波信号占空比B的考虑

为确保CB的安全，一定不能让CB充电超过UCBO。本设计采取两个措施，其一是控制充电速度。让占空比随UBUS的升高而下降。

第二个措施是增设耗能电阻放电回路。

3、耗能电阻放电回路

耗能电阻放电回路见图，它是否启动由BT3来控制。如果发电状态持续时间较长，UCB升至UCBO后还有再生电流流入，就开启耗能电阻放电回路。

4、超级电容器向母线回送电能的设计。

CB向母线放电时，先让CB通过L和放电支路到地放电，使L充磁。然后，L和CB通过充电支路向母线回送电流。在本设计中，希望每次充磁电流的终值基本恒定，因为UCB是逐渐下降的，所以让占空比B随UCB的下降而变大，B由0.1随时间均匀增长至0.9。如图所示。

四、实用效果及讨论

第一台改装机上的具体运行参数是这样设定的：

从电网上另取一条支路经整流滤波后的电压作为参考电压Uref，Uref独立于变频器母线电压UBUS，UBUS随再生发电的强弱而波动，波动的幅度是通过UBUS与Uref的比较来衡量的。

当UBUS－Uref≥60时，CB开始充电；

当UBUS－Uref≤30时，CB停止充电；

当UBUS－Uref<10时，CB开始放电；

当UCB≥350V时，开启耗能电阻放电回路；

当UCB<350时，关闭耗能电阻放电回路；

当UCB<50时，CB放电停止。

按这样设置，设备一直运行良好，已经正常工作半年多，提升机每升降一次都会有一次CB的充放电过程。过程进行的十分平稳。UBUS的浮动从不超过60V。耗能电阻放电回路一般不参与运行，它是对CB的一种保护措施，正常工作时不动作。

用这种储能法处理再生能量，对电网毫无影响，能量又被再利用，使得变频器节能的优势更加突出。

如果提升机功率很大，工况又使发电效应十分突出，这种情况仍可继续采用储能方案，但不用耗能电阻，而把CB上储不下的能量经二次逆变回馈电网。因为UCB比UBUS稳定的多，所以逆变回馈会容易的多。

七、智能水表上的应用

传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池。锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此，由于智能水表都没有设计再充电电路，锂电池使用到一定时间后，将无法为控制电路提供能量，不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表，这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。更危险的是，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。针对这一问题，水表生产厂家设计了很多方案，如：尽量降低功耗，在静态时控制漏电流在10uA以内，保证电池可以连续使用5年以上，这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求，增加了设计难度和成品检测的工序，元器件成本也增加了。如加上可靠的电池电量监测电路，也会使成本增加。

为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，已有不少厂家尝试一种全新的方案，那就是用超级电容代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。

超级电容的特性

超级电容与电池比较，有如下特性：

1、超低串联等效电阻（LOW ESR），功率密度（Power Density）是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。

2、超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

3、可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。

4、免维护，可密封。

5、温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。

方案描述

与内装锂电池的智能水表相比较，这种方案是用超级电容替换锂电池，封装在水表中，同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电，在需要开启水阀时，先检测超级电容是否存储足够能量，如果没有存储足够能量，将不开启水阀，当检测它存储足够能量时，由外接干电池提供能量将水阀开启；在需要关断水阀时，如果外接电池不能提供能量将水阀关断，那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱，平时将水存储起来，在停水时提供必要的水。 来源:输配电设备网

方案优点

这种方案明显优于以前的设计，优点如下：

1、将电池从水表中分离出来，从而可以不考虑电池寿命对水表的影响，延长了水表的使用时间。

2、另一方面，超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接干电池电量不足时，仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。

3、以前一味追求的漏电流指标，主要是为了保障电池的使用寿命，改用超级电容后，漏电流指标变得不重要。如果电池电量不足，用户可以随时更换。这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低。

这种方案克服了现阶段智能水表的缺点，为智能水表的发展找到了一条新的道路，实践证明是切实可行的，值得大力推广。

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