超級電容器在新能源領域并不是一個陌生的名詞。實際上，超級電容器已在該領域歷經了幾十年的坎坷，雖然它的應用形式同電池不同，但在實際應用上卻總被電池取代，此外還面臨成本高、技術難度大的劣勢。然而，超級電容器在技術上一旦取得突破，將可對新能源產業的發展產生極大的推動力。因此，盡管研發過程困難重重，但攻克它的意義卻很重大。

超級電容器的尷尬現狀

超級電容器從誕生到現在，已經歷了三十多年的發展歷程。目前，微型超級電容器在小型機械設備上得到廣泛應用，例如電腦內存系統、照相機、音頻設備和間歇性用電的輔助設施。而大尺寸的柱狀超級電容器則多被用于汽車領域和自然能源采集上，并可預見在該兩大領域的未來市場上，超級電容器有著巨大的發展潛力。

使用壽命久、環境適應力強、高充放電效率、高能量密度，這是超級電容器的四大顯著特點，這也使它成為當今世界最值得研究的課題之一。目前，超級電容器的主要研究國為中、日、韓、法、德、加、美。從制造規模和技術水平來看，亞洲暫時領先。

然而，超級電容器的研發工作一直籠罩在電池（主要為鎳氫電池、鋰電池）的陰影之下。鎳氫電池和鋰電池的開發因為可以獲得來自政府和大投資商的巨額資金支持，技術交流獲得極大推動，也更容易聚焦全世界的目光。相比之下，超級電容器卻很難得到雄厚的資金支持，技術的進步和發展也就受到很大程度地制約。這使它在很多領域備受冷落。

超級電容與電池拉平差距的機會

盡管超級電容器的制作成本每年都在以低于10%的比例減少，但這項技術依然不能在運輸行業和自然能源采集方面擴大生產規模。相比電池領域，超級電容器的技術過于落后，想要縮小兩者在研發方面的差距，首要任務應解決如下問題：

■增加超級電容器生產廠商數量，通過市場競爭的手段刺激相關技術的研發;

■擴大高比功率超級電容器的生產規模，實現突破百萬件的年生產量;

■將超級電容器當前的制造成本降低50%;

■擬定一個超級電容器可持續發展戰略，主要針對更高效電極材料的探索。

要達到上述目標需要廠商對超級電容器市場有一個逐年上升的投資力度，主要用于在設備的研發和生產兩方面。與此同時，政府擴大資金和技術支持也將起到至關重要的作用。

超級電容的應用前景分析

超級電容是一種極好的電池！今后，儲能密度還可以再提高10-100倍！

目前，普通電池的儲能密度是0.02千瓦時/kg，而超級電容則可以達到10或者20千瓦時/kg，是普通鉛蓄電池的500-1000倍！未來還可以進一步提高！而且充放電的速度極快，只需要幾秒鐘即可！

以前，一塊鉛蓄電池50公斤，也只能存儲一度電，而且用久了就壞了，充放電時間特別長。

現在，一塊超級電容電池，如果還是50公斤，則可以儲存500-1000度電，足可以供一般的小汽車跑5000公里了！即使是公交車，也可以跑將近2000公里了！如果按按現在汽車的標配，加一次油跑600公里計算，每100公里按標準電耗15度計算，能夠儲存100度電就可以了，那么就只需要5-10公斤的超級電容電池就可以了！那么，這樣一來，車子就已經可以很好地使用了！

未來，將進一步發明石墨烯超級電容電池，容量將進一步擴大十倍！那今后就更好了！

總之，從現在的技術來看，已經可以具有商業化電動汽車的開發價值了！預計一臺汽車上安裝可持續跑600公里的超級電池，只需要成本1-2萬元左右，充電將更加簡單快速，幾秒鐘即可完成，無污染，幾乎可以終身使用而無需中途更換。今后還將更好，完全可以使用起來！而且，還有一個優點，可以利用剎車的能量發電轉換成電能儲存起來，利用風能和太陽能發電儲存起來，那將更加節能，而且剎車液更加安全可靠。

總之，未來電動汽車必將橫空出世，自己完全可以利用這種技術去發展自己的產業，為中國贏得世界一席之地！

既然電池技術已經攻克，那么就應該進一步去完善，去制造，最終向用戶兜售自己的電動汽車！那么，就可以做成一個十分巨大的電動汽車產業，為中國獲得綠色環保發展！可以徹底消滅城市汽車尾氣污染，可以為中國減少數億噸的汽油柴油消耗，減少對中東石油的依賴！為中國經濟發展帶來騰飛的翅膀！

應該繼續關注這種技術，這種產業，適時切入！還有，就是石墨烯產業，信息化改造產業，新型計算機產業，智能化軟件產業，現代農業，鈦合金產業，傳統工業的升級改造和技術更新等等，這些將是中國未來發展的根本！

超級電容器的可預見性未來

毋庸置疑，超級電容器憑借自身使用壽命久、高充放電效率等顯著特點，只要找準自身發展的合適土壤，未來發展潛力巨大。

就未來十年的發展而言，超級電容器將是運輸行業和自然能源采集的重要組成部分，其中，用于裝配在啟停系統車輛的超級電容器，將成為其在未來的主要銷售渠道，預計在2016年的全球市場將達到2.7億美元，2020年將超過3.5億美元。

超級電容在電動車中應用研究及發展趨勢分析

超級電容一蓄電池復合電源系統綜合了超級電容和蓄電池的優點，不僅可以改善電動車的瞬時功率特性，而且可以避免蓄電池大電流放電，延長蓄電池的使用壽命，增加電動車的續駛里程，因此將是超級電容應用于電動車領域的重要發展方向，并具有廣闊的市場前景。

由于環境污染和石油危機的雙重壓力，電動車已經逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電源是電動車的能量源泉，但目前電池技術還不能完全滿足電動車的要求。

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件，具有比靜電電容器高得多的能量密度和比電池高得多的功率密度，不僅適合于作短時間的功率輸出源，而且還可利用它比功率高、比能量大、一次儲能多等優點，在電動車啟動、加速和爬坡時有效地改善運動特性。此外，超級電容還具有內阻小，充放電效率高（90％以上）、循環壽命長（幾萬至十萬次）、無污染等獨特的優點，和其他能量元件（發動機、蓄電池、燃料電池等）組成聯合體共同工作，是實現能量回收利用、降低污染的有效途徑，可以大大提高電動車一次充電的續駛里程。因此，超級電容在電動車領域有著廣闊的應用前景，將是未來電動車發展的重要方向之一。

目前，日本、美國、瑞士、俄羅斯等國家都在加緊超級電容的開發，并研究超級電容在電動車驅動和制動系統中的應用，而我國超級電容的生產和應用還處于起步階段。

1、超級電容的機理與特點

超級電容（Ultracapacitor）是近期發展起來的一種新型儲能元件，是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈動功率的物理二次電源，它與常規電容器不同，其容量可達數萬法。超級電容按儲能機理主要分為三類：①由碳電極和電解液界面上電荷分離產生的雙電層電容；②采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發生氧化還原反應而產生可逆化學吸附的法拉第電容；③由導電聚合物作為電極而發生氧化還原反應的電容。

由于雙電層電容的充放電純屬于物理過程，其循環次數高，充電過程快，因此比較適合在電動車中應用。雙電層超級電容是靠極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置，其原理結構如圖l所示。當向電極充電時，處于理想化電極狀態的電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于超級電容與傳統電容相比，儲存電荷的面積大得多，電荷被隔離的距離小得多，因此一個超級電容單元的電容量就高達幾法至數萬法。由于采用了特殊的工藝，超級電容的等效電阻很低，電容量大且內阻小。使得超級電容可以有很高的尖峰電流，因此具有很高的比功率，高達蓄電池的50～100倍，可達到10kW／kg左右，這個特點使超級電容非常適合于短時大功率的應用場合。

超級電容具有極其優良的充、放電性能，在額定電壓范圍內，可以以極快的速度充電至任一電壓值，放電時則可以放出所存儲的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題。此外，超級電容還具有不污染環境及機械強度高、安全性好（防火、防爆）、使用過程中免維護、使用壽命長（大于10年）和工作溫度范圍寬（一30℃～ 45℃）等優點，并且在瞬間高電壓和短路大電流情況下有緩沖功能，能量系統較為穩定。超級電容與鉛酸電池和普通電容的性能對比見表1。

2、應用研究現狀

國內外的應用研究進展

由于超級電容的優越性能和近年來對超級電容開發能力的提高，因此超級電容在工業領域中得到了廣泛應用。目前，世界各國爭相研究、并越來越多地將其應用到電動車上。超級電容已經成為電動車電源發展的新趨勢，而超級電容與蓄電池組成的復合電源系統被認為是解決未來電動車動力問題的最佳途徑之一。

日本的情況

日本本是將超級電容應用于混合動力電動汽車的先驅，超級電容是近年來日本電動車動力系統開發中的重要領域之一。本田的FCX燃料電池一超級電容混合動力車是世界上最早實現商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國的加州上市。日產公司于2002年6月24日生產了安裝有柴油機、電動機和超級電容的并聯混合動力卡車，此外還推出了天然氣一超級電容混合動力客車，該車的經濟性是原來傳統天然氣汽車的2.4倍。目前，裝備超級電容的混合動力電動公交車已經成為日本的國家攻關項目。

歐美的狀況

瑞士的PSI研究所給一輛48kW的燃料電池車安裝了儲能360Wh的超級電容組，超級電容承擔了驅動系統在減速和起動時的全部瞬態功率，以50kW的15s額定脈沖功率來協助燃料電池工作，牽引電機額定連續功率為45kW，峰值功率為75kW，采用360V的直流電源。大眾Bora實驗車進行的燃油消耗測試結果表明其油耗少于7L／100km，而相同質量的BMW7系列油耗則為10.7L／100km。1996年俄羅斯的Eltran公司研制出以超級電容作電源的電動汽車，采用300個電容串聯，充電一次可行駛12km，時速為25km／h。美國在超級電容混合動力汽車方面的研究也取得了一定進展，Maxwell公司所開發的超級電容器在各種類型電動汽車上都得到了良好的應用。美國NASALewis研究中心研制的混合動力客車采用超級電容作為主要的能量存儲系統。

中國的現狀

目前，國內對以超級電容作為惟一能源的電動汽車的研究取得了一定的進展，2004年7月我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江投入試運行，該公交車利用超級電容比功率大和公共交通定點停車的特點，當電車停靠站時在30s內快速充電，充電后就可持續提供電能，時速可達44km／h。2005年1月上海交通大學與山東煙臺市簽署協議，共同投資開發超級電容公交電車，計劃在煙臺福山區建一條12km的示范線，在福山高新技術產業區建立年產1萬輛新型環保超級電容公交車的生產基地。哈爾濱工業大學和巨容集團研制的超級電容電動公交車，可容納50名乘客，最高速度20km／h。但是，國內目前對超級電容一蓄電池復合電源電動車的設計及控制，基本上還處于起步階段。

電動車中應用超級電容的拓撲結構

純超級電容電動車

直接以超級電容作為電動車的惟一能源，此方法結構簡單、實用、成本低，而且實現了零排放，因此比較適合用于短距離、線路固定的區域，例如火車站或者飛機場的牽引車、學校和幼兒園的送餐車、公園的瀏覽車和電動公交車等。

復合電源電動車

超級電容與蓄電池、燃料電池等配合可以組成復合電源系統，但燃料電池因為成本較高，現在還不能得到實際應用。因此，國內外對超級電容一蓄電池復合電源系統的研究更多，其拓撲結構概括如圖2所示。圖2a結構最簡單，但由于沒有DC／DC變換器，蓄電池和超級電容將具有相同的電壓，以致超級電容僅在蓄電池電壓發生快速變化時輸出和接收功率，從而減弱了超級電容的負載均衡作用。圖2b與圖2c都采用了雙向OC／OC變換器，圖2b中雙向DC／DC跟蹤檢測蓄電池的端電壓，以調控超級電容的端電壓使兩者匹配工作。由于蓄電池端電壓的變化比超級電容的端電壓平緩，因此對于DC／DC，圖2b比圖2c易于控制。圖2d理論上雖然具有更高的靈活性，但對DC／DC的控制策略要求非常精確復雜且不易維護。

復合電源系統的控制策略

速度約束控制策略

當車輛起步時，超級電容中應當儲存較多的能量，需要超級電容放電，保證電動車的加速性能，而當車輛在高速行駛的情況下，超級電容應當儲存比較少的能量，以便在制動過程中接收較多的能量。超級電容儲存的能量與其端電壓的平方成正比，由于超級電容的端電壓變化范圍比較大，因此放電時如何控制其放電深度，以備在行駛過程中二次放電或進行再生制動回收充電，但需要在實驗中反復進行測試才能獲得。

電流約束控制策略

電動車在行駛過程中，由于頻繁地加速、減速和上下坡等原因，使得負載電流變化比較大，當負載電流太大以至于超過蓄電池所能承受的最大放電或充電電流時，為了避免電池組過放電或過充電，需要由超級電容放電或充電，以便改善電池組的工作狀態，延長其使用壽命。電池組的工作電流為

為了避免過大的回饋電流對蓄電池造成損害，可采用恒定充電電流的制動方式，即以蓄電池充電電流為被控對象。這是一種比較實用的控制策略，適合于采用蓄電池單電源系統的電動車。由于蓄電池電壓在再生制動過程中不會發生明顯的變化，因此電樞電流的上升不會太大。在超級電容一蓄電池復合電源系統中，由于超級電容端電壓在單次再生制動過程中就會發生很大的改變，隨著制動過程中超級電容端電壓的上升和電機反電動勢的下降，電樞電流將急劇上升，有可能對功率器件甚至電機造成損害，因此對超級電容充電時可采用恒功率的策略，即對再生制動過程中超級電容的充電功率進行控制。

在超級電容電壓低的時候，采用大電流充電，當電容電壓上升時，充電電流指令值下降，可兼顧能量回收與系統器件保護。

綜合控制策略

采用速度約束控制策略可使車輛的動力性能得到提高，而采用電流約束控制策略時蓄電池的電流可以工作在規定的范同內，對蓄電池有保護作用。這2種控制策略各有優缺點，采用綜合控制策略。即將速度約束控制策略和電流約束控制策略進行綜合應用，可以兼顧它們的優點，既能對蓄電池起到保護作用，延長電池的使用壽命，又能提高整車的動力性能。