超级电容技术分析及应用

(log-log)关系图。由于是双对数坐标图，放电时间可以表示为直线对角参数。

图2：Ragone图表示储能器件的能量密度与功率密度之间的对数-对数关系，其中放电时间表示为斜对角线。该图也十分便于比较电池与超电容的特性。

图2中的Ragone图表示不同种类的化学电池(聚集在图的左侧)和不同种类的电容(图的右侧)之间的差异。根据Ragone图综合来看，这些特性使得电池和超电容之间构成了互补的而不是对立的关系。实际上，这就是它们得以普遍应用的原因。

最新应用

超电容最主要的应用是用来稳定直流总线电压。超电容已在汽车领域得到了广泛应用，用于保护各种引擎控制部件和微控制器免受瞬态负载突变导致的电压暂降的干扰。(电压尖脉冲由其他方法来处理。)

这些瞬态负载突变通常与发动机有关。但是，如果车载娱乐系统的扬声器输出功率比较强，那么这种负载也可能来源于音频脉峰。与在车载娱乐系统的12V电压输入端简单放置一个超电容不同的是，一份来自澳大利亚超电容制造商Cap-XX的应用说明给出了一种增大D级输出放大器H桥电压的方法(如图3所示)。其中采用了一个小型的升压转换器，将偶然脉峰所需的功率存储在一对超电容内。

图3：在汽车电子应用领域，超电容常与微控制器结合使用，以保护它们不受总线电压突降的影响。图中的应用实例进一步采用了一个小型的升压转换器对两个超电容进行“升压”，之后这两个超电容为D级音频放大器中的H桥供电。

另外在交通运输领域，超电容具有快速吸收和释放能量的能力，比电池更适合于实现再生制动机制。大多数这类用途已经在公共运输行业得以应用(如图4所示)。德国曼海姆市轻轨系统中的Bombardier有轨电车采用600个2600F的超电容组实现了制动能量回收机制。所存储的能量被用于车辆的加速推进以及无动力路段和交叉路口的动力衔接。这是一种全电气化的轨道系统，回收的刹车能量减少了所需的输电网络。从这一点上来看，该原型系统证明能够达到30%的节能效果。

图4：在交通运输系统中，超电容对于再生制动技术是非常有用的，因为它能够存储车辆制动的能量并在需要的时候释放大量的能量。

曼海姆将超电容安装在有轨电车的车身上，另外一种方法就是将超电容安装在轨道两旁。在演示这一实现方法时，西门子运输系统公司在其Sitras SES系统中采用超电容实现了制动能量的回收装置，并应用于科隆和马德里的地铁线路上。在典型的轨道旁实现方案中，超电容能够吸收半径3km以内所有列车的制动能量。

在美国的混合交通运输应用中，运行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在车辆毛重情况下，这种巴士能够在17秒以内实现0到31mph的加速度，并且能够达到62mph的最大速度。有关统计数据表明，基于超电容的系统相比基于电池的混合电动系统具有更高的平均燃料效率。利用这种超电容加上电池设计的混合巴士汽车能够回收38%的推进能量，这相当于将燃料效率平均提高了3.9英里/加仑。

ISE研发了自己的热控模块，每个模块采用了144个18F的超电容。这种模块在400A的电流下能够提供360V的电压。一对这样的模块相互串联能够实现720V的额定电压(800V峰值电压)。这种双组件结构支持高达300kW功率水平下的充放电周期，能够存储约0.6kWh的能量。

再生制动技术能够回收动能。这类应用还能够回收势能。最近的一个实例是应用在铲车上，但是更广泛的潜在应用市场是建筑电梯系统。

在铲车应用领域，General Hydrogen推出了一种新型的“Hydricity Packs”燃料电池系统，其大小能够直接代替传统工业设备中的铅蓄电池。其中的超电容组能够在每次装卸叉携带托盘下降时存储势能，在提升重物需要增强功率时释放能量。图5给出了典型的铲车功率使用分布图，很好地说明了燃料电池和超电容二者的协同作用。

图5：铲车在降下货物时可以捕捉并存储相应的势能，这些能量可用于将其他货物抬升到较高的存货区。该铲车能量的时间关系图表示氢燃料电池与超电容阵列分担负载的情况。

短暂的放电时间对某些超电容应用是有积极作用的。在欧洲的风力农场中，最新的风电涡轮叶片直径达到了160ft，轮轴距离地面250ft高。在风力较大时，叶片转速较快，以免涡轮发生逆向旋转。这需要为每个叶片设置大扭矩的调节电机以及相应的电源。

尽管可以利用铅蓄电池实现这种系统，但是人们在设计风力涡轮时采用了超电容。电池可能需要定期的维护，而超电容却不需要。当然，维护电池的工作需要雇用一些熟练的服务人员攀爬塔架。他们必须专注于繁重的维护工作，不断在几千座塔架上爬