EV编辑部

●  化学电池与物理电池

以是否发生化学反应来储存电能为标准，电池可分为化学电池和物理电池。化学电池的主要代表有锌锰电池、碱性电池和锂一次电池（纽扣电池）等。

物理电池是利用物理现象储能的设备，储能过程中不发生化学反应。例如，夜间用电能将水抽至上水库，将电能转化为势能储存起来的抽水蓄能电站；用电机带动飞轮高速旋将电能转换为机械能储存起来的飞轮。上述设备均为物理电池，但是储存形式不是电能，所以均不能称为电子元器件。

●  双电层电容器是二次电池

在物理电池中，双电层电容器是一种将电能以电荷的形式储存起来的元件。这种储能方式没有能量转换，具有诸多优点。例如，储能过程中不发生化学反应，充放电数十万次后性能也不会大幅下降；能量转换过程中损失较小，可进行快速高效率充放电。

但是，双电层电容器也不是没有缺点。与化学二次电池相比，小型化和大容量化困难。此外，双电层电容器很少被归入二次电池。因为电容器电压根据充电量，会在 0V 至额定电压之间变化，而不像化学电池那样提供恒定的电压。不过，电容器与 DC-DC 电路相结合（获得稳定的输出电压），就可以和二次电池一样使用了。本文将用二次电池的性能指标考察双电层电容器。双电层电容器的英文名为 EDLC（Electric Double-Layer Capacitor），后文简称为电容器。

●  电池与电容器的能量密度、功率密度

能量密度和功率密度是衡量电池性能的两个重要指标。常用电池与电容器的能量密度、功率密度特性基本上采用的是电芯数据，实际模块化电池中的数值比这个稍小。图中横轴和纵轴均为对数坐标。因此，左边电解电容器与右边锂离子电池的能量密度、功率密度相差 1000 倍左右。

●  能量密度与功率密度的意义

能量密度表示每千克电池所储存的能量，图中越靠右的元器件储存的能量越多；而功率密度是指每千克电池的最大输出功率，越靠上输出功率越大。对 EV 而言，能量密度越高就可获得越长的续航里程，功率密度越高就可获得越大的瞬时功率。例如：

• 启动时的最大输出功率：10kW

• 匀速行驶时的输出功率：100W

在 EV 上分别安装 1kg 的锂离子电池和电容器进行比较。匀速行驶时，能量密度为 100W·h/kg 的锂离子电池可行驶 1h。而电容器的能量密度为 8W·h/kg，可行驶时间 t = 8W·h/100W = 0.08h，不足 5min。然而，锂离子电池的最大输出功率为 1kW 左右，启动时不能提供较大的瞬时功率，影响车辆的加速性能。而电容器能提供几十千瓦的输出功率，能提供较大的起动加速度。当然，将锂离子电池并联也可以获得较大的起动功率（市售 EV 也是通过这种方式获得较大输出功率的）。

●  充放电时间的比较

图 中绘有 0.1s、10s、1h 时间线，表示一个电池或电容器的最短充放电时间。若在线的左上位置，则表示其充放电时间比该线表示的时间少；在线的右下位置，则表示充放电时间比该线所示的时间多。也就是说，电解电容器的充放电时间在几十毫秒以内，电容器在 10ms ～ 10s，锂离子电池在几十分钟

至 1h 之间。

混合动力车（PHEV）、混合动力车（HEV）在 10s 线到 1h 线之间，因此使用的是镍氢电池和锂离子电池。短时间内需要大功率做功 / 再生的机床和起重机在 0.1s线到 10s 线之间，它们使用电容器来削峰填谷使负载功率平均化，减小电压暂降。

●  考量 EV 驱动电机

这里，将电荷比作水，将蓄电量比作容积。锂离子电池、铅酸蓄电池像注水口很小，但蓄水量很大的柏油桶，将水灌入和倒出都需要相当长的时间；电解电容器像注水口较大，但容积很小的高脚杯，适合在几毫秒内充放电；双电层电容器则像容积居中且具有较大注水口的醒酒器，比较适合 0.1 ～ 10s 的充放电。电机驱动电路的框图

直流电机通常采用 PWM 控制方式。采用开关频率几千至几十千赫兹的半导体开关。这时需要通过毫秒级的电流（纹波电流），而驱动器直流输入端的电解电容器可以提供纹波电流。由于电机加速（做功行驶或减速再生）通常需要几秒到几十秒，这个时间内由双电层电容器供电 / 再生，这就叫做物尽其用。

电机功率变化很大，其最大功率和额定功率相差几倍，这就需要用双电层电容器提供峰值输出。电池只需要提供平均功率就可以让电机正常工作，整体性能得到提高。

双电层电容器（EDLC）是物理电池，在结构和工作原理上与锂离子电池有差别。

●  双电层原理

将电导体浸没于电解液中，电导体和电解液之间便会产生一个绝缘层。这个绝缘层是自然产生的，对其施加电压后，正负电荷便排列在绝缘层的两边，这就形成了一个电容器。由于该绝缘层的内部分为两层，因而叫做双电层。双电层会同时产生于正负极，利用界面双电层原理制造的电容器就称为双电层电容器，

●  电极是串联结构

双电层电容器中无论是正极，还是负极，都是一个电容器。然而，两极在电路上是串联结构，理由是电极不能直接从电解液中得到电荷。根据平行板电容器的原理，电容量与极板面积成正比，与绝缘体厚度成反比。

C ＝ εS/d （1）

式中，ε 为介电常数；d 为绝缘体厚度；S 为极板面积。

●  基本结构——增大电容的设计

双电层绝缘膜太薄，不能人为制造，无法人为地使双电层绝缘膜变得更薄。所以，只能通过增加极板面积来增大电容。

（1）使用表面积大的活性炭制作极化电极

活性炭拥有非常大的单位重量比表面积，可用来制作极板（也被用作除臭剂）。活性炭的代表性原料是椰子壳。将椰子壳焚烧后，进行活性化处理，即可生产出活性炭。平均每克活性炭有着难以置信的 2000m2 表面积，是实现双电层电容器大容量的理想原料。电解液使用 PC（碳酸丙烯酯）或 ACN（乙腈）

等有机溶液，是由于其拥有比水溶性电解液更高的耐压性能。

（2）起到防短路作用的隔膜

膜与电容器的绝缘体不同，只起到防止正负极活性炭极板短路的作用，主要是防止活性炭颗粒自由移动到对面的极板形成短路，但可让电解液中的离子顺畅通过。隔膜材料多为不溶于电解液的纤维素、无纺布，有时还可以用纸。制造电容器的材料只有铝、活性炭、纸张、电解液，不需要稀有金属。因此，受原材料短缺和价格垄断的影响小，且较为环保。

● 外形上可分为两种

双电层电容器从外形上可分为叠层型和圆筒型。在涂敷了活性炭的两层铝箔之间夹入隔膜，并将其卷成圆筒，装入圆柱形外壳的，称为圆筒型。将电极 - 隔膜 -电极进行叠层后制成的，称为叠层型（或扁平型）。

●  拥有相同结构的正负极

和锂离子电池不同，双电层电容器正负极的结构是相同的，叠层型的优点是可从各层电极引出引线至电容器

的外部引脚，集电极部分电阻较小。圆筒型也可以增

加连接到铝端子的连接线数量减小电阻，但这会增大

电容器直径，这取决于电容器的规格和设计理念。

●  内部高压气体的释放

双电层电容器是不发生化学反应的物理电池，但在高温、高压环境中使用时，其内部残存的杂质会与电解液反应，进而产生气体（CO、CO2 等）。在过电压或超过规格的高温环境中持续使用的情况下，内部产生的气体量增大，可能会导致外壳破裂。因此，每个电池都必须具备防爆结构。当然，不会像锂离子电池那样发生内部有机电解液燃烧而引起爆炸，危险性较低。圆筒型电容器可承受高达 10 个大气压的内部压力，叠层型只能受 2 ～ 3 个大气压。因而，叠层型使用了排气阀，当内部产生的气体压力超过一定值时排出气体，待内部压力下降后自动关闭，保持内部气压高于外部气压。由于这种机制，即便长期使用也不会发生破裂。圆筒型多采用防爆阀，当内部压力高于一定值时，防爆阀会有多种方式开启。如果超过额定值使用，防爆阀将会打开，此时电容器无法使用。此外，防止电解液泄漏也同样重要。为了避免上述异常情况的发生，就需要之后介绍的 CMS（Capacitor Management System）等控制电路起到保护协调的作用。

●  模块化

与锂离子电池一样，电容器的电动势会随着充放电发生变化。仅根据耐压和功率密度决定结构虽然是可行的，不过为了方便制造和使用，常将多个单体模块化使用。

关于模块化，叠层型由于是长方体，方便塞入一个长方体外壳中，具有较大的空间利用率。但叠层型单体为了增加活性炭电极和铝集电极的接触密度，通常要在外部施加一定的压力。如何设计外部施压装置，是设计叠层型模块的重要问题。而圆筒型在卷制单体的过程中已经施加了一定的压力，所以制作模块时就无需额外设计加压装置。因此，只需要将单体简单排列就行了，比较叠层型更易制作。

●  汽车中多采用圆筒型

实际中使用的电容器，多以模块形式出现，因此需要根据安装位置和抗震性能等条件进行比较和考量。目前，汽车中多采用易于进行抗震设计的圆筒型，工业机械中多采用叠层型。