混合型超级电容器外特性的研究*

章 锦，魏 涛，黄廷立

（上海奥威科技开发有限公司，上海 201203）

混合型超级电容器是近年来受到人们广泛关注的一种新型高性能储能器件[1]，其兼具二次电池与静电电容器的双重特性，被认为是一种介于传统电容器和二次电池之间的新型化学电源。与二次电池相比，超级电容器具有功率密度大、充电迅速、循环寿命长、能量利用效率高、安全性高、清洁环保等特点[2]。在新能源汽车、轨道交通、太阳能和风能发电储能、工业机械设备、节能电梯、军事航天、船舶等领域都得到广泛应用[3]。此外，由于混合型超级电容器的充电速度较快、安全性较好，因此非常适合作为固定线路运行的城市客车、有轨电车的主要动力电源。

1 超级电容放电特性

本文以上海奥威科技开发有限公司研发生产的混合型超级电容器UCK42V20000B作为研究对象，采用ARBIN高性能检测设备对电容进行充放电试验。UCK42V20000B性能参数如表1所示。

表1 超级电容单体UCK42V20000B性能参数

图1为室温下超级电容不同倍率下的放电曲线。结果表明：单体电压随着放电倍率变大而下降越快，而且电压下降呈现线性趋势。此外，在曲线末端电压下降较快，这是因为超级电容在低压下能量较低。

图1 不同倍率下的放电曲线

2 超级电容温度特性

图2为超级电容在不同温度下的放电曲线。从混合型超级电容的化学特性分析，温度降低阻碍了离子的扩散与迁移，使得放电容量减少，影响车辆的续航里程；温度升高有利于锂离子扩散，超级电容内阻减小，放电容量增加。

图2 不同温度下的放电曲线

3 内阻特性

根据QC/T 741—2014《车用超级电容器》内阻测试方法：①测试出不同温度下的超级电容内阻变化曲线，如图3所示，随着温度的增加，内阻非线性变大，且温度两端的内阻变化超过数量级的变化；②测试不同SOC下内阻变化情况，如图4所示，随着SOC变大内阻减小，但是两端的变化量只有20%左右；③测试不同循环寿命下内阻变化情况，如图5所示，随着循环次数增加内阻逐渐变大，超级电容在循环80000次时候，内阻变化量也只有50%。综上所述，超级电容在使用时，温度对内阻影响较大。

图3 温度与内阻的关系

图4 SOC与内阻的关系

图5 循环次数与内阻的关系

4 容量特性

根据QC/T 741—2014《车用超级电容器》可用容量测试方法，在不同温度下，采用5C电流进行放电。如表2所示，可以看出：随着温度的增加，可用容量增加。由此表明：超级电容在涉及电量估算问题上应考虑温度变化的影响。

表2 不同温度下的超级电容电量

5 超级电容循环寿命特性

根据QC/T 741—2014《车用超级电容器》循环测试方法，采用5C倍率进行充放电循环，超级电容电压范围为2.5～4.0V，如图6所示，实测超级电容UCK42V20000B循环寿命达到50000次，能量保有率为83%。

图6 循环寿命曲线

根据50000次循环实测结果进行拟合，得到如下公式：

通过对全寿命周期内的电量进行计算，即可推算出当前的超级电容循环寿命，最终得出当前超级电容的容量保有率，此时的电量保有率便可作为超级电容的当前健康状态。

6 超级电容动态工况特性

如图7所示，对超级电容进行HPPC工况测试，在室温条件下，将超级电容从2.5V充电至4.2V，再按照1C放电1min，静置20min的循环办法放电至2.5V时停止，全过程共计脉冲放电10次，SOC从100%变化为0%。测试结果表明：混合超级电容在HPPC动态测试下表现出和锂电池相似的极化特性，但是超级电容极化效应较小，内部反应可以较快恢复稳定状态，对于超级电容开路电压的确定具有较大帮助。

图7 HPPC测试曲线

7 结束语

通过上述试验数据可以看出超级电容的外特性研究对于其合理使用具有重要意义。超级电容的放电特性曲线表明：超级电容的工作电压在不同倍率、不同温度下近似为线性变化，无明显的拐点电压。因此，超级电容的电量估算通过查表即可获得较为准确的结果。其次，不同温度、SOC、循环寿命下内阻的变化曲线表明超级电容在长期使用过程中，温度对内阻的影响最大，而超级电容不同循环次数下容量保持率特性曲线表明后续可以从容量角度计算其健康状态。最后，超级电容的动态特性可为等效电路模型建立提供数据支撑。