南海鹏，朱文洋，林泽磊
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
摘要：超级电容是一种新型的储能元件，近年来受到了广泛的关注。对基于超级电容储能方式的城市轨道交通系统进行研究时首要解决的问题是超级电容阵列的容量和链接方式的设计。本文主要对超级电容进行了原理的分析和优缺点的总结。
关键字：超级电容；主电路；系统容量
1、超级电容
1.1、工作原理
超级电容器包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件，利用活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构获得超大电容值。在电解液中同时插入两个多孔碳电极并在两端施加电压，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，在电场作用下电解质溶液中的正负离子聚集到与极板相对的界面上，从而形成双电层。当向电极施加电压时，电极表面的静电荷吸引电解液中部分不规则分布的带异电荷离子，在电极电解液界面处排成一排，形成一个电荷量与电极表面剩余电荷量相等，符号相反的界面层，一层在电极上一层在电解液中形成双电层，两个电极分别形成一个界面，电容值为正负两个电极串联电容之和。
1.2、超级电容的优点
超级电容器也并非没有缺点，从目前的产品情况来看，超级电容器主要存
在以下的不足之处。
（1）功率密度高。超级电容器的内阻小，同时，由于本身材质特点，可以实现电荷快速转移，输出功率高，一般可以达到蓄电池的数十倍；
（2）使用寿命长。具有至少几十万次的使用寿命，是蓄当今蓄电池使用寿命的几十倍乃至上百倍；
（3）充电时间短。超级电容器的双电层结构可以实现快速的电化学过程，并且可釆用大电流充电，一般几十秒至几分钟完成充电；
（4）工作稳定范围广。容量随温度的变化小，在的环境温度下正常工作；
（5）效率高。库伦效率可以达到以上；
（6）绿色环保。生产过程不使用重金属等有害化学物质，循环使用寿命长，属环境友好型产品。
1.3、超级电容的不足
超级电容也存在一些不足之处：
（1）采用线性放电。超级电容线性放电的特性使它无法完全放电，放电工作过程中会有一定局限。
（2）低能量密度。目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多，对大容量能量需求场合不适用。
（3）低电压。超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。在串并联组合中，各个单体电容电压因为生产工艺的问题参差不齐，使得整个超级电容器组设计的负贵程度增加。
（4）高自放电。它的自放电速率比化学电源要高。
2、超级电容的容量设计
2.1、功率约束法
功率约束法是指超级电容在某一恒定功率P 下充电或放电，并维持一段时间T，以达到吸收或释放指定能量W 的方法，用于验证超级电容组的功率处理能力。
2.2、能量约束法
能量约束法是指根据需要吸收的能量来设计超级电容组的容量。根据超级电容器的能量公式，超级电容单体可储存（或释放）的能量为：
.png)
2.3、超级电容器组的连接方法
（m+n）个超级电容器有两种不同的组合方式可以构成超级电容器组。第一种是先把n个超级电容单体串联成一个支路，再将m个支路并联构成超级电容器组；第二种是先把m个超级电容单体并联成一个支路，再将n个支路串联构成超级电容器组。不一样的组合方式对超级电容器有着不一样的影响。第一种组合方式中，有n个超级电容器单体串联而成的支路上有某个超级电容器单体发生故障，则这条支路将不能工作，这就扩大了故障的范围；而第二种组合方式中，由m个超级电容器单体并联而成的支路发生故障时，其对并联支路的等效单体电容值的影响随着并联个数的增加而降低，增强了系统的可靠性。
3、超级电容的主电路
根据储能单元的主电路形式确定储能单元的最大功率，再由储能单元的最大功率设置变流器。超级电容的主电路（图3.1）就是双向DC/DC变流器电路，该主电路要满足以下要求：
（1）当列车再生制动时变流器工作，将再生制动反馈电网的电压经降压后，储能装置进行储存牵引供电网剩余的再生制动能量。
（2）当供电区间内的牵引供电网低于限定值时，变流器开始工作，由储能装置输出电压经升压后输送到牵引供电网，保持牵引供电网电压稳定。
双向DC/DC变换器有两种，分别是隔离式和非隔离式。隔离式双向DC/DC变流器的电路是由不同的电路组合而成或者由是其它电路的变形，并且电路比较复杂。储能系统的主电路的双向DC/DC变流器选用非隔离式的双向DC/DC变流器。该变流器能够实现升压变流器和降压变流器的功能，并且控制简单。
.png)
图4.1 超级电容的主电路图
供电区间内列车处于牵引启动加速阶段时，IGBT2以一定的占空比导通，IGBT1反并联二极管续流，此时双向DC/DC变流器就相当于升压变流器，将储能装置中储存的再生制动能量输送给中间电容，再由中间电容反馈到牵引供电网供给牵引列车使用；当供电区间内列车再生制动时，牵引供电网电压升高，IGBT1导通，IGBT2反并联二极管续流，此时的DC/DC双向变流器就是降压变流器，将牵引供电网的再生制动能量降压储存在储能装置中。
4、总结
从充放电时间、能量密度、功率密度、循环寿命等方面考虑，超级电容介于充电电池与普通的静电电池二者之间；但是，超级电容又兼得充电电池、普通静电电容器的优点，可以满足更多场合的需要。超级电容具有许多优点的同时它也存在不少的缺点，在超级电容的选用时一定要充分的考虑到它的优缺点，让超级电容的优点能够充分的得到很好的利用。
参考文献
[1].翟楠松,张东来,徐殿国,等.超级电容国内外研究及应用现状.中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集,2007:1-4
[2].陈郎.超级电容在城市轨道交通系统中的应用.都市快轨交通,2008,21(3):76-79
[3]. 钟海云，李荐，戴艳阳等新型能源器件一超级电容器研宄发展最新动态，电源技术.2001,25(5)
[4]. 薛小军,基于超级电容的车辆制动能量回收系统的仿真研究,四川西南交通大学,2006