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1 引言
采用電化學(xué)雙電層原理的超級(jí)電容器——雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor; EDLC)，也叫功率電容器(PowerCapacitor)，是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器集高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命等特性于一身，具有工作溫度寬、可靠性高、可快速循環(huán)充放電和長(zhǎng)時(shí)間放電等特點(diǎn)[1]，廣泛用作微機(jī)的備用電源、太陽(yáng)能充電器、報(bào)警裝置、家用電器、照相機(jī)閃光燈和飛機(jī)的點(diǎn)火裝置等，尤其是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用已引起舉世的廣泛重視[2]。
超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理不同于蓄電池，其充放電過(guò)程的容量狀態(tài)有其自身的特點(diǎn)。超級(jí)電容器受充放電電流、溫度、充放電循環(huán)次數(shù)等因素影響，其中充放電流是最主要的影響因素。由于超級(jí)電容器一般采用恒流限壓充電的方法，本文主要分析恒流充電條件下的超級(jí)電容器特性。恒流限壓充電的方法為控制最高電壓為Umax，恒流充電結(jié)束后轉(zhuǎn)入恒壓浮充，直到超級(jí)電容器充滿。采用這種充電方法的優(yōu)點(diǎn)是：第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時(shí)間，后期采用恒壓充電可在充電結(jié)束前達(dá)到小電流充電，既保證充滿，又可避免超級(jí)電容器內(nèi)部高溫而影響超級(jí)電容器的容量特性。
對(duì)于多孔碳材料做極化電極的超級(jí)電容器，其存儲(chǔ)電荷的電容C與碳材料的表面性質(zhì)緊密相關(guān)，其中多孔碳電極的比表面積和微觀孔徑尺寸分布是影響超級(jí)電容器雙電層容量的重要因素[10]。
試驗(yàn)中，分別利用電流為10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A對(duì)同一超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電，并測(cè)量電容器的電容，結(jié)果如圖4所示。
圖4 超級(jí)電容器恒流充電容量變化圖
在動(dòng)態(tài)工作情況下，用線性函數(shù)擬合來(lái)預(yù)測(cè)超級(jí)電容器在任意工作電流水平點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容器靜電容量C值。利用Matlab對(duì)獲取的電容值進(jìn)行3階擬合，對(duì)應(yīng)函數(shù)為f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如圖4所示，超級(jí)電容器的容量隨充電電流的增加而下降。結(jié)合超級(jí)電容器的內(nèi)部構(gòu)成分析，超級(jí)電容器的轉(zhuǎn)換效率和有效容量，受其有效內(nèi)阻和充放電電流的影響，要使其貯能量最大化，就要使容量最大化，即要求電極表面積最大化和雙電層厚度的最小化。在充電過(guò)程中，充電電流密度影響著電極極化反應(yīng)的比表面積和微孔傳輸反應(yīng)粒子、離子電荷的速度，并因充電電流增大，碳電極的有效反應(yīng)表面和微孔利用率減小而導(dǎo)致容量降低。
3.4 基于阻抗分析的電壓變化
利用超級(jí)電容器等效的RC網(wǎng)絡(luò)電路，在復(fù)數(shù)域建立其等效電路方程，由Laplace變換和卷積運(yùn)算獲取等效電路的阻抗綜合函數(shù)。
在復(fù)數(shù)域上，該電路的復(fù)數(shù)阻抗Z(s)與電壓U(s)的關(guān)系表示為：
由于超級(jí)電容器一般采用恒流限壓充電的方法，本文主要分析恒流充電條件下超級(jí)電容器的電壓變化情況。分別利用恒流I=20A，50A，100A對(duì)同一超級(jí)電容器進(jìn)行充電測(cè)試，記錄其電壓變化，并將實(shí)際曲線變化與理論電壓變化曲線進(jìn)行比較。
對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果可知(圖5)，小電流充電時(shí)，卷積運(yùn)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較好，電流和電壓的變化趨勢(shì)與實(shí)際超級(jí)電容器的充電變化相一致，證明了RC等效電路能夠較好的表示超級(jí)電容器的特性。從阻抗角度分析，參數(shù)R和C對(duì)仿真結(jié)果的影響不同，參數(shù)R只改變開始時(shí)的電壓突變，不影響線性部分的斜率，而參數(shù)C 決定著線性部分的斜率，影響著它與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的逼近程度。
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