电化学电容器的特点及应用

电动汽车的关键部分是蓄电池，可以作为电动汽车动力能源的有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。普通电池虽然能量密度高，行驶历程长，但是存在充电时间长、无法大电流充电、工作寿命短等不足。与之相比电化学电容器比功率大，充电速度快，输出功率大，刹车再生能量回收效率高。超大容量电容器具有1O万次以上的循环寿命，安全可靠，在一40一+50℃温度范围内可以正常工作。由于超大容量电容器的寿命是普通化学电池的100倍以上且彻底免维护，使用超大容量电容器作为动力源的城市交通电动汽车综合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车。目前世界各国都在开发电动汽车，主要倾向是开发混合电动汽车(I-IEV)，用电池为电动汽车的正常运行提供能量，而加速和爬坡时可以由超大容量电容器来补充能量，另外，用超大容量电容器来存储制动时产生的再生能量。在电动车辆行驶时，起步快，加速快，爬坡能力强。完全用超大容量电容器作为主电源的电动汽车，目前正成为各国科学家积极追求的目标。核心技术只掌握在少数国家中。电容电动汽车已投入到俄罗斯公交线路上运营，性能良好。我国于2001年在哈尔滨研制出首辆超级电容电动车，以60km，h速度行驶。
　　目前世界各国都在积极研制用于电动汽车上的超大容量电容器。其中俄罗斯研究的最为成功。欧洲的ECN也正在研制EV-Supercap项目。

　　2．3智能水表

　　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。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，如果不精确和及时地监测电池电量，将无法可靠地关断水阀，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。为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题，以往各厂商想尽各种办法，都没有取得非常有效、实用、经济的办法。目前已有不少厂家尝试一种全新的方案，那就是用超大容量电容器代替锂电池应用于智能水表。与内装锂电池的智能水表相比较，这种方案是用超大容量电容器替换锂电池，封装在水表中，同时外接电池供电。
　　平时电池提供水表电路所需能量和对超大容量电容器充电，在需要开启水阀时，先检测超大容量电容器是否存储足够能量，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，那么超大容量电容器将在此刻提供能量来关断水阀。该方案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。超大容量电容器的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接电池电量不足时，仍能利用存储在超大容量电容器上的能量将水阀关断。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。

　　2．4军事方面

　　现代军用工业突发猛进， 已相继发展了新一代激光武器、粒子束武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备。这些装备在发射阶段除装备有常规高比能量电池外，还必须与超大容量电容器组合才能构成“致密型超高功率脉冲电源”，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使脉冲电起飞加速器、电弧喷气式推进器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。此外，军事用途的载重卡车、装甲车辆、电动车辆在恶劣条件下，如启动、爬坡、刹车等过程，也必须使用电池与超大容量电容器组合的动力装置，即“混合动力系统”。2l世纪军队及武警部队应实现全部装备(包括武器、通信设备、防护系统等)数字化。据统计每个士兵所必需的电源功率约为350 W ，以工作时间24 h计，总能量达8．5 l ，重量达85 kg。若采用混合电池电容系统，可比配置单一电池的装备重量减轻59％，大大降低每个士兵的负担。

　　2．5太阳能与风力发电

　　对于局部的电源供应，太阳能是最方便的电源，因此太阳能电池已经成为宇宙飞船，人造卫星和星际航天站等的主要电源之一，并相继用于地面上的许多特殊地方，如航道灯塔、无人值守系统、高山气象台、沙漠地区考察和边防哨所等。在现代城市中，太阳能照明在节能的同时还减少了铺设电缆的麻烦，因此在高速公路、公园、广场、居民小区，旅游区等作为照明、装饰、指示性标志的光源具有广泛的应用，使用太阳电照明是北京举办“绿色奥运”的重要组成部分。作为太阳能发电重要组成部分的储能装置要求存储容量大、工作寿命长，可以进行瞬间充电以适应天气的变化、无记忆效应以及免维护等。但是大量蓄电池在复杂环境下的运行和维护费用比较昂贵，并且在高温和反复充放电的应用条件下会缩短使用寿命。超大容量电容器因其具有十万次以上的深度充放电循环寿命和免维护、高可靠性等特点，使得替换蓄电池成为可能并可以大大降太阳能发电系统的总运营成本。另外微型和小型超大容量电容器还可与太阳能电池并联使用，作为贮能元件用于太阳能手表，太阳能计算器或其它太阳能应用方面。日本Matsushita公司生产的Up-Cap电容器已经用于光伏发电的功率负载上。

　　2．6内燃机车启动

　　目前国内内燃机车是用蓄电池组来启动柴油发电机组，没有使用其它辅助装置。蓄电池组存在充电时间长、寿命短、运行维护费用高、污染环境等方面的问题。如果用电容器作为电启动的辅助装置，则可以很好地解决这些问题，改善电启动的性能，但传统电容器的电容量不能满足内燃机车蓄电池组的要求。使用超大容量电容器作为内燃机车电启动的辅助装置，非常适用在频繁启动的调车机车上，短时待机时就可随时停机，没有任何限制，这样既降低了柴油机的机械磨损，又节省了燃油。在安装电启动辅助装置后，超大容量电容器与柴油机的电启动蓄电池并联使用，在柴油机启动时，由于30％~50％ 以上的启动电流来自于超大容量电容器，蓄电池的负担要比过去小得多。薛洪发将超大容量电容器和蓄电池联合工作时的研究发现，与单独使用蓄电池组启动比，在蓄电池组输出电流降低28％的情况下，启动发电机的输入电流增加了43％，端压最低值升高了45％，启动瞬时功率提高了约100％，启动时间缩短。发现采用大容量电容器辅助启动装置后，大大降低了蓄电池成本。另外，柴油机旋转加速度增加，提高了燃油点燃质量，缩短了柴油发电机组的启动时间，确保了启动的可靠性，特别是在低温以及蓄电池组电量不足或参数变坏时，尤为明显。电化学电容器可用于各种大型载重和特种车辆以及船舶的电启动装置上。延长蓄电池使用寿命，降低运营成本，提高经济效益。目前在国内正处于实验阶段。

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