电容器范文

电容器范文第1篇

锂离子电容器的应用

话说搞电子的工程技术人员一生在电子线路领域里中打滚，从L/R/C等基本被动组件玩到晶体、集成电路，经历了当下之SiP与SoC，还有始终数不清楚封装方式的集成电路。但最令人感到惊奇与兴奋的被动组件，可能要首推“电容器”(Capacitor)了。日本惯用“Condenser”来称呼。

况且，功率半导体业界，SiC(碳化硅)新材料当前正夯呢!毕竟，所有的电源模块，一定都需要用到电容器。尤其是蓄电用途的电容器，更是需要超高的电气性能。

注：SiC(碳化硅)材料，觉醒了Converter、Inverter的功率半导体产业，应用从汽车到太阳能发电领域，取代硅材料，是明日之星。

Xbox经历了一场电源线大回收的教训，在次世代Xbox 360设计的组件选择上格外用心，特别是电容器，几乎全是用知名大厂的零件。

喜欢把玩音响扩大机、喇叭DIY的游戏者，还是图谋个人计算机的音质提升，改机升级往往就是先从“电容器”的替换来下手。而且，各种价格不斐的电容器，琳琅满目。知名的德国WIMA电容、瑞典的RIFA电容、日本的黑爵(Black gate)电容(Rubycon最高等级制品)等，都是常听见看得到的好样组件。

而最近有一种称之为锂离子电容器LIC(Li-ion Capacitor)像潜水艇般逐渐浮出水面上，有人认为这是结合锂离子电池以及一种称为电气二重层电容器，两者优生学混合之下的新组件，这个说法是有道理。一般，还是将它归属于超电容器(Ultra Capacitor)的领域。有一家专业于先端技术的信息研究与分析公司HIEDGE，依据其预测，2009年是锂离子电容器的量产准备期，市场可望在2011年开始慢慢向上昂飞。

注：锂离子电容是一种正极与负极充放电原理不同的非对称电容。采用锂离子电池的负极材料与电气二重层电容的正极材料之组合构造。

先来举一个绝佳的案例，可以用来阐明为何主张未来的电子争霸，该是回归物理基础科学的观点。尤其是材料科学。2008年底，东京大学研究团队透国结晶构造的详细解明清楚，发现Li2FeSiO4(Li-Fe-硅-氧)若是取代当前手机、笔电锂离子电池所使用的正极材料LiCoO2(因为钴Co是稀有金属)；那么，锂离子电池低价制造之道就不远了。以后，诸如数字相机正厂所卖的电池，若是依然那么昂贵，也就太贪心了。

而此处所欲提及的“锂离子电容器(Li-ion Capacitor)”也是另一个鲜明的案例，来解释材料科学的重要性与创新威力。信息业就如拳击赛，上了舞台，不是输就是赢。创新就是最佳的攻击力。

节能减碳(整个世界二氧化碳CO2的排出量，发电就占了35%的最高比例)是物价高涨飞腾后的最夯民生话题，地球暖化、温室效应的气体排出量削减，是全球关注的课题。除了火红的太阳能之外，风力发电的设施建设风潮，在欧洲、美国、中国正积极展开导入。风力发电公认最具有潜力并且减少温室效应的自然能源。而“锂离子电容器”则被视为家用、企业屋顶、公园路灯等小型发电最佳的蓄电组件，最佳拍文件组合。

锂离子电容器于风力发电的开端，是日本福岛县冲的海洋天然瓦斯挖掘设备导入21台的小型风力发电装置以及使用锂离子电容器的电容器模块的设置。为了确保电力的维持，采用以小型风力知名Zephyr的Airdolphin风力发电装置，电容器模块采用了JM Energy的片状锂离子电容器单元(宣称是世界最高峰的大容量电容器)。在风车与Inverter之间，安置了电容器模块，可以吸收风力变动的发电量。也扮演着缓冲的脚色。通常，Inverter在损失以下的微风时，微小的发电量也难以蓄电，有了电容器就可以蓄电。反之，发生超过Inverter定格容量(1kW)的强风时，电容器的蓄电也不会浪费掉。

经过一年的试验运转之后，于2008年6年正式启用。并且，尔后还可进行将二氧化碳CO2贮留在海中的试验。

而日本宫崎县也开始导入组合LED照明与太阳能面板使用锂离子电容器的试验。目前的试作品使用两个1W的LED，平均驱动约0.6W的程度。于周围没有任何照明的场所，若是充满电，可以应付一整晚。此试验的原本考虑是检讨镍氢电池的采用性，认为对应发电量变动的对应控制模块过于复杂，遂选用容易因应发电变动，能量密度又高的锂离子电容器。选用的组件是ACT(Advanced Capacitor Technology)所开发的“Premlis”单元，静电容量为5000F。

注：ACT所开发的“Premlis”锂离子电容器，正极采用独自开发的奈米闸碳(Nano-gate Carbon)、负极采用黑铅(石墨)系碳；目前专利申请中。

锂离子电容器源起暨基础原理

于兹，就是要来探讨锂离子电容器的实力，挖掘为何会受到厂商的垂爱。因为，锂离子电容器系由电气二重层电容衍生而来；值是之故，当然必须先从电气二重层电容先来说起，并且说明为何原因锂离子电容的体积能量密度会是电气二重层电容的3~5倍之多。

“电气二重层(Electric Double Layer Capacitor)”的电容器，先受到了最高度瞩目的起因也许可以追溯到两件关键要事。其一，日本电子所开发的“奈米闸(Nano-Gate)电容器”，其质量密度是传统技术的10倍之多。因此，获得了2004年“日经BP技术大奖”的光荣美誉。这类的电容器通常使用于环境奈米应用、混合式汽车(Hybrid vehicle)，高负载级应用(Load leveling)等。

另外，富士旭化成电子与FDK开发使用Lic在电解液的电容器，可是一直没有正式量产化。而突破性的契机在于2005年8月，富士重工业采用了多并苯(Polyacene)系负极材料，使得Li离子大量粘稠于负极；正极依然采用活性碳。这种特征就高输出、长寿命维持的秘方，是启动厂商们开始采用的手段。

以2008年底的时间点来观看，旭化成电子、ACT、NEC/Tokin、FDK、JM Energy、太阳诱电(昭荣电子)、日立Advanced Interconnecting Components/日立化成等公司，皆有在开发锂离子电容器。

注：电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)，简称为EDLC。

电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)的对外称呼可真多元，经常可以见到的有“超电容器(Super Capacitor) ”、“终极电容器(Ultra Capacitor)”、“电气化学电容器(Electrochemical capacitors)”等恭维式的称呼，没有很明确的定义。

为了慎重起见，就完全遵循“ECaSS(Energy Capacity System)组织论坛”的用语，以“电气二重层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)”的名称来贯穿本文。

注：ECaSS是Power System公司董事会长，冈村f夫于1992年发明的革新蓄电系统。

电气二重层电容器，可以说拥有不少的特长：

可以急速大电流充放电。

充放电效率高。

反复充放电寿命长。

容易计测组件中的残量。

不含有害的重金属，是绿色组件。

没有爆炸、起火的危险性，安全性高。

使用温度范围广。温度特性优。

注：Ragone Chart，系一种用泡泡图来展现各种能量储存(蓄积)的性能比较图。首先是应用于电池上的比较。观念上，纵轴的能量密度是指有多少能量可供应用；横轴的功率密度，意思是说能量的传递有多快。

注：能量密度(Energy density)，能量密度乃是每单位体积介质或是单位质量所包含之能量。常见的单位有Wh/Kg，Wh/L。

电容器范文第2篇

新标准

需求侧功率因数管理及无功补偿优化研究

中国2015年余热余压发电能力达到3100万千瓦

基于启发式策略的配电网电容器优化配置

浙江省电力公司1000kV皖电东送特高压交流项目获国家核准

谐波分析与治理软件的开发与应用

关于唐山玉田农网无功补偿配置的探讨

基于COM技术和遗传算法的可视化无功优化软件开发

地区电网无功电压运行情况分析及对策

高压内熔丝电容器探讨

基于PIC24F单片机的智能补偿电容单元模块设计

电抗器设计优化算法

高压并联电容器装置过电压研究及应用EMTPE软件仿真验证

更正

恒张力技术在电容器薄膜分切设备中的应用

关于无功补偿分类术语和定义的探讨

对某500kV开关断口间并联电容器的高压介损诊断及分析

两起电容式电压互感器故障的分析处理

南网高压直流输电基本设计软件包功能扩展和工程应用项目通过验收

STATCOM与SVC的性能比较与应用分析

基于改进遗传算法的配电网无功规划优化

基于APF电能质量调节装置的研究

STATCOM与SVC在某钢铁企业的应用选择

晋中电网电压和无功现状分析以及改进建议

调压型无功自动补偿装置在许北变电站的应用

高压并联电容器组放电线圈的选用

并联电容器组保护起始不平衡值的估算

一种电容器成套装置的配平方法

换流站交流滤波电容器外壳振动研究

500kV电容式电压互感器抗震试验

500kV电容式电压互感器现场自激测试法分析

并联电容器型式试验或耐久性试验的合格有效性覆盖

6kV高压电容柜熔丝熔断故障分析及其对策

产品型号发放通报

电容器的常见故障处理方法与技术

专利信息

文摘

2010年《电力电容器与无功补偿》杂志征稿启事

变电站电容器装置中电容器额定电压的合理选择

1000kV特高压长治站110kV并联电容器组技术创新及运行分析

基于自耦变压器的新型动态无功补偿装置

县级电网的无功补偿

无功补偿的规划

新标准出版发行信息

油纸绝缘电流互感器的绝缘设计

牵引变电所动态无功补偿方案设计研究

基于迭代学习控制的并联型有源电力滤波器研究

电能质量在线评估终端的开发

并联电容器分闸重击穿操作过电压研究

电力电容器保护探讨

一起66kV电容器故障的分析及预防措施

浅析影响电容器安全运行的因素

专利信息

文摘

10kV配电线路无功补偿的选择

谐波条件下的低压无功补偿技术

谐波治理和管理措施探讨

宋家营变电站无功配置分析

电容器范文第3篇

《电力电容器》（CN：61-1128/TM）是一本有较高学术价值的双月刊，自创刊以来，选题新奇而不失报道广度，服务大众而不失理论高度。颇受业界和广大读者的关注和好评。

《电力电容器》现已更名为《电力电容器与无功补偿》

电容器范文第4篇

电容器检测方法主要分为三个大类：可变电容器的检测、电解电容器的检测、固定电容器的检测。

1、可变电容器的检测

A用手轻轻旋动转轴，应感觉十分平滑，不应感觉有时松时紧甚至有卡滞现象。将载轴向前、后、上、下、左、右等各个方向推动时，转轴不应有松动的现象。

B用一只手旋动转轴，另一只手轻摸动片组的外缘，不应感觉有任何松脱现象。转轴与动片之间接触不良的可变电容器，是不能再继续使用的。

C将万用表置于R×10k挡，一只手将两个表笔分别接可变电容器的动片和定片的引出端，另一只手将转轴缓缓旋动几个来回，万用表指针都应在无穷大位置不动。在旋动转轴的过程中，如果指针有时指向零，说明动片和定片之间存在短路点;如果碰到某一角度，万用表读数不为无穷大而是出现一定阻值，说明可变电容器动片与定片之间存在漏电现象。

2、固定电容器的检测

A检测10pF以下的小电容因10pF以下的固定电容器容量太小，用万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。测量时，可选用万用表R×10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。若测出阻值(指针向右摆动)为零，则说明电容漏电损坏或内部击穿。

B检测10PF～0.01μF固定电容器是否有充电现象，进而判断其好坏。万用表选用R×1k挡。两只三极管的β值均为100以上，且穿透电流可选用3DG6等型号硅三极管组成复合管。万用表的红和黑表笔分别与复合管的发射极e和集电极c相接。由于复合三极管的放大作用，把被测电容的充放电过程予以放大，使万用表指针摆幅度加大，从而便于观察。应注意的是：在测试操作时，特别是在测较小容量的电容时，要反复调换被测电容引脚接触A、B两点，才能明显地看到万用表指针的摆动。

C对于0.01μF以上的固定电容，可用万用表的R×10k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电，并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容器的容量。

3、电解电容器的检测

A因为电解电容的容量较一般固定电容大得多，所以，测量时，应针对不同容量选用合适的量程。根据经验，一般情况下，1～47μF间的电容，可用R×1k挡测量，大于47μF的电容可用R×100挡测量。

B将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大偏度(对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大)，接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。实际使用经验表明，电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上，否则，将不能正常工作。在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明容量消失或内部断路;如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。

C对于正、负极标志不明的电解电容器，可利用上述测量漏电阻的方法加以判别。即先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个阻值。两次测量中阻值大的那一次便是正向接法，即黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。

电容器范文第5篇

用铌氧化电容器，将您的通孔铝电容式印刷电路板设计变成一个较小的SMT装配怎么样?如果考虑音频系统制造商最新的反馈的话，这个主意很不错吧!

时光倒退回到档案馆，去找到Pease Porridge，这篇文章全面分析了铝与音频电路中其他电容技术的声音特性。其结论是，尽管在示波迹或测量特性上没有任何不同，但使用铝电容器的在听觉体验上显得更顺畅。

现在低ESR氧化铌电解电容器与铝电容器相似。日本著名音响制造商最近的实验结果表明，即使如10μF低量级的容量也是有可能获得很好的音质的，100μF量级提供最高端音质当然不在话下。

撇开主观高保真音响爱好者分析不谈，大量很难确定的也支持从铝铅向铌氧化SMT的转换以适应于广泛的电力应用，包括：

结合了高电容，低ESR，低残余感应系数。

低压交流波纹改良随时间、温度的稳定性没有问题。

宽松的温度和湿度环境将铌氧化电容器列入音频应用中。

确定的SMT EIA标准大小。

高温回流焊可与振动或冲击ROHS兼容。

提高了可靠性。

改善了纹波性能。

高电容值低ESR低ESL

当把电源中的铝与铌氧化作比较时，ESR与频率关系是一个关键因素。在许多应用中，电容值较低时铌氧化电容器可用等价滤波取代铝电容。

对配电与主板ASIC解耦而言，低电感也很重要。原位分析表明，从通孔到SMT的升级能即时改善ESR，转化为暂态负荷变化和纹波处理。

铌氧化电容器的另一个特点是，他们可以在最小电压降状态下工作(见可靠性一节)，因此额定电压6.3V的装置，适合用于5.5V输出轨。再加上专为核心应用而设计的低电压等级，电容量可进一步最大化，680μF可供2.5V应用。

改善稳定性

使用时，标准铝在40～85℃操作范围内寿命会更长，标准可靠性应用仅限于105℃以下。另一方面，铌氧化电容器运作在一额定电压范围：55～85℃，最大不超过125℃电压降。

参数方面，若其运作在温度范围上，铝电解电容器将有一个最大的电容变化(C)，40℃时是20％，105℃时也是20％，变化量通常为10％～15％。铌氧化在越广的范围之内温度特性越严格，55℃时C为10％，125C时C为12％，但通常在此极限下5％以上范围内。

另一个与温度相关的参数是ESR。在铌氧化电容器中，功率应用滤波性越好，ESR高温下反而会减小。重要的是，铌氧化电容器所用的材料基本上没有耐磨穿装置，所以随时间推移这些参数将保持在极限值内。

温度和湿度

终端用户制造工艺的一个关键部分是印刷电路板附加装置，通常采用回流焊或波焊料。铌氧化技术基于固态电解质系统，此系统装在带兼容引线框架的环氧铸模里。

这种结构有一级湿度灵敏性，因此能够经受住多种无铅型回流曲线，即表面贴装生产线无须干燥剂包装或特别处理。铌氧化电容器用铌氮介质，是钽的同系材料，具有相同封装装配的标准EAI容器尺寸：A(3216)，B(3528)，C(6032)，D类(7343)和E(7343H)。

提高可靠性

名义上可靠性为0.2％每1000小时，铌氧化故障率规格是其可靠性低于商业铝电解5倍的一个因素。另一个优点是低热量指数的负极材料，这使它得以分散更多电力而不会过热。然而，所有元件都需要考虑在边缘值附近使用时的情况。这是铌氧化提供的另一项优势。比起其他电解技术，使用铌氧化为电容器负极基料，导致一个良性失效模式。如果过应力上升到额定电压就会击穿，参数泄漏可能随之增加，但此部分仍可以作为电路中的一个电容器。事实上，铌氧化是唯一不因电应力产生非短路故障模式的电解技术。

再说音频

有很多技术要求电容器用在音频电路(也就是低频/低噪)，其中有许多已在上文讨论过。在这些应用中，需要高逼真度和无噪音频过滤，但通常使用的都是比所需的功率滤波低的电容值。由此开辟了包含多层陶瓷芯片在内的新电容技术。

电容器范文第6篇

这种新一代脉冲超级电容器具有极低ESR的特点，使得它们可以满足对锂离子电池或标准AA、AAA电池进行涓流充电时，设备工作所需要的瞬时峰值电流。低厚度的设计也使得它们可以被使用在小型电路卡组件(Circuit Card Assembly，CCA)中，并能够满足如便携设备中无线数据传输卡和高密度数据传输设备等对电源的需求。在这些应用中，常需要提供大约主电池输出电流两倍的峰值能量以实现快速的数据传输。

超级电容器正如它的名字一样，可以存储大量的电荷。标准电容器通过极板间的电介质存储电荷。由于电介质内的偶极子排列，电场的建立可以通过极板的电压测得。极板所能保持的电荷越多，电容量就越高，能量存储可以通过公式1／2(c×V2)来计算。此处，C为以法拉为单位的电容，V为以伏特为单位的极板电压。超级电容器也可以产生同样的结果，但它却是通过电荷的大量游离和运动，而不是通过介电质的偶极子排列来存储能量。这种移动相反电荷到分离器不同侧的机制是自然界中的电化学现象，与电池原理非常相似。能量在标准电容器或超级电容器之中能够存储多久将取决于电容器内部的漏电流(如偶极子的释放或电荷的重组)，存储的能量能够被释放得多快取决于器件的内部电阻。

标准电容器技术的研究正集中于新型材料的开发以期改善介电常数、介电质漏电流、内部电阻和耐压能力。同样，对于超级电容器而言，最初的产品是基于高内阻的机电系统，并具有“类电池”的存储电能和放电特征，而新材料的开发已经使低ESR器件成为瞬时放电应用的理想器件。

当在标准电容器中计算偶极子排列所存储的能量时，通常会假定其是纯粹的直流应用环境。但在大多数应用中，需要电容器来传递信号，这就使极板带有交流电压。问题是偶极子的振动怎样能够很好地跟得上传过来的信号频率并不失真呢?或者哪种类型的标准电容器能够适合对应的应用环境?例如，耐压6V，容量高达2200uF，ESR小于50mΩ的钽电容在100kHz～1MHz范围内都有很好的频率响应。这是因为在100kHz时，电容量保持率很高(大约90％)，是SMPS器件宽范围滤波要求的理想选择。陶瓷Ⅱ型材料也适合这个频率范围，虽然电容量相比要低，但ESR会更低(大约100uF／5mΩ)。同时，陶瓷Ⅰ型电介质有非常高的工作频率，特别适合射频应用。对于光学系统，单层器件可以接近10GHz的响应。

同样，超级电容器技术也正在发展以用于更加广泛的领域。这得益于纳米技术(可以用来开发更高表面积的炭叠层)所具有的优点，而最近几年许多令人激动的成果之一就是分离系统中的“质子聚合膜”被引入了电容器制造领域。这种技术有如下优点：

・非常高的直流电容：容量在50mF～IF；

・非常长的电容保持时间：以毫秒为单位的脉冲间隔；

・非常宽的工作电压：3.6～15V，甚至更宽；

・非常低的ESR：20～300mΩ；

・非常低的漏电流：2―5uA；

・非常长的生命周期：深度充放电循环测试高达一千万次(或者持续测试8个月)也没有显示出对这些电容有任误差。一些最先进的锂离子电池具有非常平坦的电压特性，这使得利用OCV测量来校正电流测量误差更加困难。而只要电压测量有一点小小误差，就可能导致SOC计算的重大偏差。所以，只有确保出色的电流测量和精确的时基才能获得最佳精度。

如上所述，在小电流的情况下，造成电流测量误差的最大原因是电流测量ADC中的偏移量，而目前已经有好几种技术可减小这种偏移量。其中，最常用的技术是在受控环境中对偏移量进行测量，然后在每一次的测量值中都减去该偏移量。但这种方法有一个弱点，就是没有考虑到偏移量的漂移。图1显示了把该技术用于一定数量的部件之后的残余偏移量。爱特梅尔的电池管理单元采用的是一种更好的方法，而ATmegal6HVA所通过周期性改变电流测量的极性来抵偿偏移量就是一例。虽然利用这方法仍会残余极小但恒定的偏移量，不过，这个很小的残余偏移量只需在保护FET开路之前进行测量，并通过电池组提供一个已知电流，就可以除去。如图2所示，利用这种方法可以显著减小偏移量，而爱特梅尔BMU中偏移量漂移引起的残余误差更低于量子化级。消除偏移量的好处在于能够精确测量很小的电流，而对于偏移量大的器件，就得在某一点上停止电流测量，转而开始预测电流。有些BMU采用5mΩ的感测电阻，提供高达100mA的锁定零区或死区。以笔记本电脑为例，这可是很可观的电流量，足以保持某个工作模式非常长的时间了。

精确测量小电流

对于给定大小的感测电阻，电流测量ADC的偏移误差每每限制了其能够测量的最小电流级，致使在低感测电阻值和所需死区(这里因为电流级太低，无法集聚电荷流)之间必须进行大幅折中。最近，大多数设备制造商都在寻找降低耗电量，并尽可能保持低功耗模式的方法，使确保小电流获得精确测量的技术变得愈发重要。

电流测量的度偏移

要精确测量uV数量级电压本身就颇具挑战性，而在芯片经受温度变化时实现精确测量更是困难，因为即使是一部主要在室内工作的笔记本电脑，还是会经历温度变化。例如，在电池均衡管理期间，BMU内部的一个FET以最大功率消耗电池的能量。致使芯片温度大幅上升。与偏移有关的许多参数都有较大的温度偏移，如果不消除这些效应，将影响到测量精度。爱特梅尔的偏移校准方法已获证明在考虑到温度效应时也非常有效。如图2所示，温度效应被完全消除，从而确保偏移不再对测量精度造成影响。

带隙基准电压的特性及其对电压测量的影响

带隙基准电压是获得高精度结果的关键因素。来自固件预期值的实际基准电压值偏差会转化为测量结果的增益误差，而在大多数情况下，这是电池电压测量和大电流测量中最主要的误差源。

标准带隙基准电压是由一个与绝对温度成正比(PTAT)的电流和一个与绝对温度成互补关系(CTAT)的电流两部分相加组成，可提供不受温度变化影响而且相对稳定的电流。这个电流流经电阻，形成不受温度变化影响而且相对恒定的电压。不过，由于CTAT的形状是曲线，而PTAT是线性的，所以得到的电压―温度关系图形也是曲线。

带隙基准源中的电流级存在一定 的生产差异(production variation)，使得25℃时的基准额定值、曲率形状和曲线最平坦部分的位置都会发生各种变化，因此需要进行工厂校准，以尽量减小这种变化的影响，图3所示为一个未校准基准源带来的变化实例。在-20―+85℃的温度范围内，最高差异为-0.9～0.20％。而图3则显示有两个离群点的曲线跟大多数其他器件的曲线有相当大的差异。

BM器件中常用的标准带隙基准源针对额定变化被校准，在25℃时的精度极高。然而，曲率形状和位置变化的补偿也相当常见，这就产生与温度变化有关的大幅变化，使得在高和低温时电池电压测量不够精确。此外，也不可能检测和显示出曲线形状显著不同的离群点。

新颖的基准电压校准方法

为了在各种温度变化下获得更好的性能，爱特梅尔增加了一个额外的基准电压校准机制，用以调节带隙基准源的温度系数。这个校准步骤将调节曲率的形状和位置，并显著改善随温度变化的稳定性，如图4所示，在-20～+85℃温度范围内的最大变化是0.5％。注意第二个校准步骤可以检测和显示出具有截然不同的曲线形状的离群点。

基于生产测试成本因素，一般情况下BM器件是不执行第二个校准步骤的。因为行业规范是只在一个温度下测试封装器件，而第二次校准则需要在两个温度下对封装器件进行精确的模拟测试，所以加入具有高模拟精度要求的第二个测试步骤通常都会大幅度增加成本。

爱特梅尔则开发出了一种新颖的方法，能以尽量少的额外成本来执行第二个测试步骤。传统上，第二步测试需要高精度测量设备和复杂的计算操作。此外，对每一个待测器件，第一步测试的数据必须存储，然后在第二步测试中恢复。这些要求都会提高测试成本。爱特梅尔的专有技术充分利用BM单元本身具有的特性，把测试设备要求降至最低：通过精确的外部基准电压，利用板上ADC来执行测量；利用CPU来执行必须的计算任务；以及利用闪存来存储第一步的测量数据。因此，只要利用成本非常低的测试设备便可以获得精度极高的结果。通过这种方法，爱特梅尔便能够以极低的额外测试成本来提供业界领先的性能。

带温度偏移的电压测量精度

当电池达到完全放电或完全充电状态时，电压测量便会决定什么时候关断应用或停止对电池充电。因为最大和最小电池电压的安全考量都是不能打折扣的，故须内置一个保护带(guard band)，以确保所有情况下都能安全工作。电压测量精度越高，需要的保护带便越小，实际电池容量的利用率也会越高。在给定的电压和温度下，电压测量可被校准，而该条件下的电压测量误差将极小。当考虑到温度偏移时，测量误差的主要来源是基准电压漂移。图5显示了使用标准基准电压相比曲率补偿基准电压所带来的不确定性。如图5所示，曲率补偿可显著提高精度。

结语

要最大限度地使用电池每次充电后的能量，尽量延长电池组的寿命，同时又不牺牲电池组的安全性，高的测量精度至关重要。为了避免增加校准成本，BMU的固有精度必须尽可能地高。此外，通过能够充分利用MCU板上资源的灵活新颖的校准技术，便可以最小成本实现良好的基准，消除温度的影响。

电容器范文第7篇

【关键词】：电容器；功能；对比

【分类号】TM761.1

・0引言

随着我国现代工业进程的飞速发展，电网结构发生了巨大变化，大量非线性负载的广泛应用，使得电网中的谐波大量存在，对电能质量的影响越来越大。但是，目前绝大多数的无功补偿，扔在采用分离元器件及传统的组装工艺和补偿原理，固有的缺陷及造成的后果还在继续。为降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高供电效率和电压质量，减少对电网的“污染”，本文主要通过对无功补偿中的传统电容器和智能电容器作出分析和比较。

・一、无功补偿意义

无功补偿的意义在于：稳定受电设备及电网的电压，提高供电质量；改善供电系统的稳定性，增加电网的输送能力，提高用电设备的工作效率；补偿无功功率，提高用电设备的功率因数；降低线路损耗及输变电变压器的电能损失，提高其输出能力；降低设备发热，延长设备使用寿命，提高设备利用率；降低无功损耗，为企业降低生产用电成本。

・二、传统电容器的现状

目前大多数企业采用传统电容器无功补偿技术，停留在以下几种方式：

1、 采用接触器作为投切电容器的开关，投入使用时，产生较大的涌流；切除时，产生较高的过电压；再次投入之前需充分放电。

2、 采用等容循环投切的控制策略，分组较粗、补偿精度较差；用电系统长期处于欠补偿状态，平均功率因数较低。

3、 采用普通控制器，功能比较简单，不能满足先进的补偿系统的控制要求；控制器的抗干扰能力差，经常出现误动作或死机现象，不适合在有谐波的系统中运行。

4、 采用没有保护措施或保护措施不完善的补偿系统，在补偿设备出现异常的时候，不能实施有效的保护。

5、 成套厂家的补偿系统制作一般采用分离元器件，柜体内部结构复杂，组装工艺难度较大。

6、 大多厂家为追求利益的最大化，元器件整体质量水平不高，造成稳定性欠佳。

由于元器件的厂家不同，质量水平参差不齐，各元器件之间的参数匹配度不够，造成补偿设备运行不可靠，故障率较高。

采用传统电容器给整个行业带了一种不良的现象：传统产品长期主导我国无功补偿设备市场；对补偿系统要求较高的场所的补偿设备，长期被国外品牌所占领，设备成本相对较高。传统产品维修工作量较大，维修费用高。

据相关部门的调查、统计资料得知，我国在用的传统工艺无功补偿装置，真正能够正常运转并起到作用的还不足30%，也就是说，大部分补偿设备不能正常工作或不能满足设计要求，这不但浪费了大量人力物力，而且没起到节能作用，造成了社会资源极大的浪费，最终用户为额外的费用买单。

・三、智能电容器的技术与发展

智能电容器的出现，为具有强大功能的补偿设备提供了强有力的保障，是智能化的基础，符合国家无功补偿技术的发展趋势。智能电容器采用了大量的新型电力电子元件，且配置了多元化的保护单元；相对于传统电容器来说，是个根本性的改变。

智能电容器的控制模块和数据采集模块采用新型单片机和大规模集成电路，开关模块采用大功率晶闸管，实现电容器组的零电压投入和零电流切除，无合闸浪涌电流冲击，无火花和谐波干扰。即可单台使用，也可多台组网构成补偿系统；即可三相补偿，也可三相和分相混合补偿。产品特点如下：

（1）智能电容器为模块化、数字化和智能化结构，体积小、接线简单、维护方便，开关执行单元无触点，确保了控制精度和运行的可靠性；

（2）全自动分相、分级按需补偿，实现低压无功自动补偿功能，个别智能式无功补偿电容器故障后自动退出，并不影响其余工作。采用智能网络技术，构建485通讯网络，多台电容器并联式用，自动生成一个网络，其中地址码最小的一个为主机，其余则为从机，构成低压无功自动控制系统。个别从机故障后自动退出，并不影响其余工作；主机故障自动退出，在其余从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统。

（3）智能电容器具有过压、欠压、失压、短路、过温、欠流延时等保护功能，从而延长了低压电容器的使用寿命，保证系统安全运行；

（4）实时数字式测量、显示电网中的主要参数：功率因数、电压、电流、谐波电压及电流、有功功率及电度、无功功率及电度等；

（5）带有谐波分析和滤波功能，有效抑制高次谐波涌流，形成低阻抗通路，对滤波具有吸收泄放作用，消除高次谐波对电容器的影响，保护电路及电容器过载，防止电容器过热，绝缘介质的老化、自愈性能下降、使用寿命降低等危害。

（6）智能电容器中的电容器组件采用渐进式加厚银锌镀膜技术，具有良好的导电性和稳定性，同时厚度与该处的电流密度成正比，工作时发热量小且均匀，极大地提高了电容器的容量稳定性，极少衰减。

（7）采用液晶显示器，LED状态指示灯和按键实现人机联系。显示器上具有运行工况提示、故障中文提示，指示灯具备投运、退运和故障三种运行状态。

（8）具有故障自诊断技术，通过实时监测智能电容器内部零投切开关、断路器、电容器等零部件运行状况，并在液晶显示器实时中文提示，便于故障快速定位，从而实现免维护。

・四、结语

从上述功能可以看出，智能电容器能自动检测各相负载的功率因数，同时自动分相投入各相所需的电容补偿量，以使各相的无功功率补偿达到最佳状态，改善配电系统功率因数、提高电网效率、改善电压质量、节约用电、增大变压器有功容量等效果，并能有效的抑制、吸收谐波的污染，较大程度满足了“电网绿化”的要求。传统电容器，前期投入的资金是少了，后期的维护成本以及补偿效率却无法估算。智能电容器是我国无功补偿技术的发展趋势，也是行业发展的大势所趋。

参考文献：

1、模块化无功补偿技术的发展及应用_坤友电气2013.06。

2、无功电容补偿在低压配电系统中的应用_汇之华电容器2013-05-29

3、配电系统无功补偿的现状及探讨 张庆军； - 《机械工程师》- 2010-02-10

电容器范文第8篇

摘要：配电网络电容器配置投切算法

1引言

电容器作为配电网无功补偿的重要设备，在配电系统中被广泛使用。通过合理地在配电系统中配置和控制电容器，可以提高配电系统的电压质量，改善功率因素，降低网络损耗，增加系统容量。

配电网络电容器优化新问题分为规划和运行两大类。规划新问题主要确定电容器的安装位置、类型和额定容量，在满足电压约束的条件下使投资费用最低。规划新问题也称电容器优化配置新问题。运行新问题是在现有无功设备配置(电容器的位置和最大容量已定)的基础上，根据实际负荷的变化，确定可投切电容器组的投切方案，使网损（能耗）最小或运行费用最低。运行新问题也称电容器优化投切新问题。

自从上个世纪50年代以来，并联电容器的效益新问题一直得到科技工作者的关注，有关文献非常之多[1,2，但大都是从规划角度来探究（即电容器优化配置），而从运行角度来探究电容器优化投切的文献较少。有关电容优化配置新问题已有相关文献综述了其探究发展的过程[3-6,本文侧重对电容器优化投切新问题的算法进行归纳总结。

2电容器优化配置

电容器优化配置新问题是在满足各种不同负荷水平下所有等式及不等式约束条件的情况下，确定配电系统中配置电容器的位置、大小以及数目以获得最大的收益。这是一个混合整数非线性组合优化新问题，目标函数不可微。文献[3-6阐述了电容器优化配置新问题的探究发展过程。

由于缺乏高效的计算工具，早期普遍采用解析方法，这要求目标函数是连续可微的。为得到这样的目标函数需要做一些和实际情况不符的简化假设，如认为电容的位置和大小是连续变量、馈线截面均等以及各点负荷按统一的模式变化等。尽管作了这些假设，在多数情况下所得到的目标函数仍然相当复杂，这类方法的主要缺点是所得优化结果和实际情况不符。

随着计算机技术的发展，各种数学规划方法被应用于解决电容器优化配置新问题，其中部分方法能够将电容器的位置和大小当成离散变量处理，这相对于解析方法来说是一大进步。该类方法虽然可以得到最优解，但计算繁杂，效率较低。

进入90年代以来，启发式方法、人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks,ANN)/专家系统方法、基于随机化优化技术的方法（包括遗传算法（GeneticAlgorithm,GA）、模拟退火(SimulatedAnnealing,SA)以及禁忌搜索（TabuSerch,TS）等）在配电网电容器优化配置新问题中得到应用。相对于解析方法和数学规划方法来说，启发式方法以及专家系统方法直观，易于理解，实现起来简单，但是不能确保得到最优解；针对不同的配电系统负荷状态，将人工神经网络方法应用于电容器优化配置需要频繁练习样本，对于一个有一定规模的配电网，要得到所有可能的负荷模式是困难的，而练习样本也需要大量的时间；基于随机化优化技术的方法由于能有效处理不可微的目标函数，非凡适合于解决组合优化新问题，实践证实这些随机化优化方法具有比传统优化方法更好的全局寻优能力，但其收敛性及计算速度有待进一步提高。

3电容器优化投切

配电网电容器优化投切是用来决定配电系统中已安装的电容器组在不同负荷状态下的投切策略（对于可调电容器组，还要决定投切的组数），以达到减小系统运行时功率或能量损耗目的的一种运行控制手段。按照运用的优化方法不同，可以将其分为以下几类。

3.1传统数学规划算法

1）非线性规划

1982年，Grainger等率先用非线性规划解决电容器优化新问题，用恒电流模型模拟负荷和电容器，构造了相应的数学模型，并进行了一系列的探究工作[7-10。由于所构造的模型[7-9无法考虑元件的电压静特性，故具有一定的局限性。1985年，Grainger[11将探究推向深入，引入了标准化等效馈线的概念，解决了带旁支的较复杂配电网络的无功电压控制新问题，将其分解为电容器和电压调节器两个子新问题，用非线性规划法求解。在电容器子新问题中同时考虑了规划和运行，确定了在何处安装多大容量的电容器、以及如何控制这些固定的和可控的电容器以使年综合费用最低，即在考虑电容器安装费用的基础上通过优化投切电容器以最大限度地节约电能。上述文献中，只有文献[9考虑到电容器的整数约束，且用分支定界法求解；其他文献[7-8，10-11都把电容器的位置和大小当成连续变量，和实际情况不符。

2）线性规划

邓佑满[12从实时控制角度探究电容器优化投切的台数新问题，推导了其逐次线性整数规划模型，并提出了适合配电网电容器投切特征的对偶松弛解法和逐次归整法。所得模型简洁，求解过程无震荡现象，收敛快，计算量小。但优化结果依靠于网络的初始状态，对于同一个系统，当电容器给定的初值不同时，其优化结果不同，同时逐次归整所引起的误差取决于电容器的单台容量。作者在文献[13中进一步用模糊集中的梯形模糊数考虑了猜测负荷值的不确定性，并用逐次线性整数规划优化三相不平衡系统的电容器投切。

TengJH在文[14,15中分别考虑在不平衡和平衡配电系统中如何利用常用的线性规划技术实现电容器的实时优化控制。

3）二次规划

WangJC[16考虑不对称配电网中电容器优化新问题，建立其数学模型，把新问题分解成两个子新问题摘要：电容器配置新问题和实时投切新问题，并用二次整数规划法求解。

4）动态规划

HsuYY等[17提出了一种确定未来24小时馈线电容器最优投切策略的动态规划方法，其目标是在保证电压质量的同时使馈线线损最小，约束条件中包括对电容器投切次数的限制。假如把电容器的投切状态作为状态变量，当电容器较多时，动态规划会有维数灾。为克服采用动态规划可能出现的维数灾，作者将阶段n时的状态变量定义为从阶段0到n时的电容器总投切次数，此法显著降低了动态规划法在线计算的维数，加快了收敛速度，但计算量还是随电容器呈倍率增长，当电容器较多时，仍不理想，不足之处还在于将负荷当成恒电流处理。

利用传统数学优化理论，方法成熟，收敛性好，可以从理论上得到全局最优解，但是应用这些方法时为满足目标函数连续可微，往往需要做某些简化假设，这会使得优化结果和实际情况不符，从而在一定程度上限制了其应用范围。

3.2人工神经网络类算法

ANN方法的最大特征是可以通过样本的练习将输入和输出之间的非线性关系存储于神经元的权值中。SantosoNI[18用两级ANN实现电容器投切的实时控制。第一级ANN以母线的测量值（功率和电压）和电容器当前档位值为输入来猜测负荷水平，第二级ANN根据负荷水平确定控制策略。Das等人针对传统优化方法费时不适合于在线应用新问题，提出一种基于人工神经网络的方法；探究结果表明该方法比传统优化方法的计算速度快100倍以上[19。

3.3基于随机化优化的方法

近年来，许多学者将基于随机化优化技术的方法（包括SA、GA以及TS等）应用于电力系统的探究和生产实践中，其中包括配电网的电容器优化投切。

1）模拟退火算法(SA)

1990年，ChiangHD[20用SA算法确定电容器的安装位置、类型、容量以及不同负荷水平下电容器的投切方案，考虑了电容器的实际情况、负荷约束以及各种负荷水平下的运行约束，并以69节点系统为例进行了计算。随后作者将电容器优化新问题从三相对称系统推广到不对称系统[21，和上一篇文献不同之处还在于考虑了负荷的电压静特性以及电容器更换新问题，仍然用模拟退火法求解。王守相等[22也应用模拟退火算法解决配电电容器三相分相投切新问题，算法考虑了配电系统实际的三相不平衡状况和系统日负荷变化曲线以及电容器的实际操作次数约束。

2）遗传算法(GA)

文献[23认为电容器操作次数对用户和电力公司都非常重要，应将操作次数作为一个单独的目标而不是约束条件来考虑。此时电容器优化投切包含两个重要的目标摘要：馈线的日运行损耗最小，操作次数最小。这两个目标量纲不同且相互冲突，为解决该新问题，作者提出了和遗传算法相结合的交互式折衷最优方法。该方法的显著特征是可以提供一组灵活的折衷最优解以帮助系统运行人员确定最佳电容器投切方案。

刘莉等人[24用遗传算法解决配电网电容器优化投切新问题，克服了传统优化方法在处理电容器整数约束上的不足，对初始条件无任何要求，具备全局寻优能力。

3）禁忌搜索(TS)

张学松[25提出了将TS用于解决配电网电容器整组（0-1）优化计划投切新问题，并对同一新问题分别用Tabu搜索方法和遗传算法处理的效率进行了比较，证实了TS收敛速度快。邓集祥等人[26在上文基础上对Tabu搜索方法的实际应用作了一些改进，并借助改进的遗传算法中的优化编码技术处理补偿电容器的分档优化投切新问题。TS的不足是对初始解有较强的依靠性。

SA算法一般可以得到全局最优或全局次最优解，但该方法对参数和退火方案的依靠性强，计算量大；GA虽然具有使用简单、鲁棒性强和易于并行化等优点，但其仍面临许多新问题，如计算速度慢，选取不同的基因串会有不同的优化结果等；TS方法能够有效的求得全局最优解或局部最优解，但Tabu表的深度控制仍是其应用时的主要难点。

3.4混合算法

近年来也有一些探究者致力于将传统数学规划法和智能法相结合的探究。文献[27将也采用类似的将ANN和动态规划相结合的方法来解决电容器的投切新问题。这个方法分三步实施。首先，收集历史负荷数据，应用动态规划法离线确定最佳决策。其次，用ANN的两种归类算法对负荷曲线归类，在每一类中，将前一步求出的最佳决策取平均得到预调度表。最后，固定预调度表中可信度高的决策，再用动态规划法优化可信度低的决策，得到最终的控制方案。前两步离线进行，后一步在线应用。在线应用时由于状态变量数大大下降，计算速度大大加快了。ANN技术用于控制的特征是在线计算快，非凡适于实时控制。ANN离线练习时间长并不是主要缺点，新问题的关键在于练习样本的获取。由于配电网络负荷变化频繁，对应每一种负荷模式都需要大量的样本来练习ANN，这限制了其实用性。

MiuKN和ChiangHD[28探究了GA在三相不平衡配电网电容器优化配置及控制新问题中的应用，构造了两级优化模型。一级优化用遗传算法确定一个可行解空间，二级优化采用基于灵敏度分析的启发式算法，用上一级所得到的可行解空间作为搜索的初值继续寻优。该方法花费的时间比单纯使用GA要少，但解的精度有所降低。

文献[29提出改进的GA/TS混合算法并用于配电网电容器的实时投切，用GA求解初值，然后用TS求出最优解。

陈星莺等[30从经济运行的角度出发，以网损最小为目标函数建立了配电网无功优化控制新问题，数学约束条件主要强调电容器投切次数的限制，采用模糊动态规划法计算配电网电容器的优化投切新问题。混合算法可以将方法各自的优点充分发挥出来，而避开其缺点，从这一点来说，这类算法很有发展前途，但是如何对各种算法“取长补短”，发挥各自优势，仍需要进一步探究。

4结论

配电网电容器优化配置和投切新问题大规模非线性组合优化新问题。利用传统数学优化理论，方法成熟，收敛性好，可以从理论上得到全局最优解，但是这些方法大都要求目标函数连续可微，因此在应用时需要做某些简化假设，这会使得优化结果和实际情况不符，从而限制了其应用范围。基于ANN的算法可以在很短的时间内得出结果，但其精度取决于样本，而要获得完整的样本较困难，而且需要较长的时间练习样本。基于SA的算法从理论上可以获得全局最优解，但存在算法依靠参数和计算量大的缺点，可以应用于对计算速度要求不高的电容器优化配置及计划投切。GA虽然具备全局寻优能力，但其收敛性和计算量大限制了其应用。基于TS的算法由于列表的大小不易确定，过大或过小的列表都会影响TS的全局寻优能力。模糊数学和专家系统方法必须依靠于其他技术的发展。

电容器范文第9篇

关键词：电力电容器维护

电力电容器是一种静止的无功补偿设备。它的主要作用是向电力系统提供无功功率，提高功率因数。采用就地无功补偿，可以减少输电线路输送电流，起到减少线路能量损耗和压降，改善电能质量和提高设备利用率的重要作用。现将电力电容器的维护和运行管理中一些问题，作一简介，供参考。

1电力电容器的保护

(1)电容器组应采用适当保护措施，如采用平衡或差动继电保护或采用瞬时作用过电流继电保护，对于3.15kV及以上的电容器，必须在每个电容器上装置单独的熔断器，熔断器的额定电流应按熔丝的特性和接通时的涌流来选定，一般为1.5倍电容器的额定电流为宜，以防止电容器油箱爆炸。论文百事通

(2)除上述指出的保护形式外，在必要时还可以作下面的几种保护：

①如果电压升高是经常及长时间的，需采取措施使电压升高不超过1.1倍额定电压。

②用合适的电流自动开关进行保护，使电流升高不超过1.3倍额定电流。

③如果电容器同架空线联接时，可用合适的避雷器来进行大气过电压保护。

④在高压网络中，短路电流超过20A时，并且短路电流的保护装置或熔丝不能可靠地保护对地短路时，则应采用单相短路保护装置。

(3)正确选择电容器组的保护方式，是确保电容器安全可靠运行的关键，但无论采用哪种保护方式，均应符合以下几项要求：

①保护装置应有足够的灵敏度，不论电容器组中单台电容器内部发生故障，还是部分元件损坏，保护装置都能可靠地动作。

②能够有选择地切除故障电容器，或在电容器组电源全部断开后，便于检查出已损坏的电容器。

③在电容器停送电过程中及电力系统发生接地或其它故障时，保护装置不能有误动作。

④保护装置应便于进行安装、调整、试验和运行维护。

⑤消耗电量要少，运行费用要低。

(4)电容器不允许装设自动重合闸装置，相反应装设无压释放自动跳闸装置。主要是因电容器放电需要一定时间，当电容器组的开关跳闸后，如果马上重合闸，电容器是来不及放电的，在电容器中就可能残存着与重合闸电压极性相反的电荷，这将使合闸瞬间产生很大的冲击电流，从而造成电容器外壳膨胀、喷油甚至爆炸。

2电力电容器的接通和断开

(1)电力电容器组在接通前应用兆欧表检查放电网络。

(2)接通和断开电容器组时，必须考虑以下几点：

①当汇流排(母线)上的电压超过1.1倍额定电压最大允许值时，禁止将电容器组接入电网。

②在电容器组自电网断开后1min内不得重新接入，但自动重复接入情况除外。

③在接通和断开电容器组时，要选用不能产生危险过电压的断路器，并且断路器的额定电流不应低于1.3倍电容器组的额定电流。

3电力电容器的放电

(1)电容器每次从电网中断开后，应该自动进行放电。其端电压迅速降低，不论电容器额定电压是多少，在电容器从电网上断开30s后，其端电压应不超过65V。

(2)为了保护电容器组，自动放电装置应装在电容器断路器的负荷侧，并经常与电容器直接并联(中间不准装设断路器、隔离开关和熔断器等)。具有非专用放电装置的电容器组，例如：对于高压电容器用的电压互感器，对于低压电容器用的白炽灯泡，以及与电动机直接联接的电容器组，可以不另装放电装置。使用灯泡时，为了延长灯泡的使用寿命，应适当地增加灯泡串联数。新晨

(3)在接触自电网断开的电容器的导电部分前，即使电容器已经自动放电，还必须用绝缘的接地金属杆，短接电容器的出线端，进行单独放电。

4运行中的电容器的维护和保养

(1)电容器应有值班人员，应做好设备运行情况记录。

(2)对运行的电容器组的外观巡视检查，应按规程规定每天都要进行，如发现箱壳膨胀应停止使用，以免发生故障。

(3)检查电容器组每相负荷可用安培表进行。

(4)电容器组投入时环境温度不能低于-40℃，运行时环境温度1小时，平均不超过+40℃，2小时平均不得超过+30℃，及一年平均不得超过+20℃。如超过时，应采用人工冷却(安装风扇)或将电容器组与电网断开。

(5)安装地点的温度检查和电容器外壳上最热点温度的检查可以通过水银温度计等进行，并且做好温度记录(特别是夏季)。

(6)电容器的工作电压和电流，在使用时不得超过1.1倍额定电压和1.3倍额定电流。

电容器范文第10篇

摘 要：本文主要对超级电容器领域的相关专利申请的分析进行了梳理，并进行了举例说明。超级电容电极材料主要包括碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料以及复合材料，本文主要介绍了碳材料在超级电容器领域的应用，并具体从活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个分支分别介绍了超级电容器。

关键词：超级电容器;碳材料;活性炭;碳纤维;碳气凝胶;碳纳米管;石墨;专利申请

1 不同电极材料在超级电容器上的研究与应用

1.1 碳材料

碳材料是最早被用作电极材料的，碳材料电极先后出现了多孔碳材料、活性炭材料、纳米碳纤维、碳纳米管等多种材料。碳材料的特征主要表现为双电层特性，双电层电容器充电时在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容储能，其电荷及电位分布如图1（a）所述。加上直流电压后，经过一段时间在2个极化电极与电解液的界面上就会形成新的双电层，其电荷与电位分布如图1（b）所示。充电时通过外部电源，电子从正极转移到负极，同时，溶液中的正负离子各自反向扩散到电极表面，能量以电荷形式存储在电极材料与界面之间。由于电极电荷和溶液中反电离子的相互作用，离子不会迁移到溶液中去，保证双电层的稳定。

目前已经公开的有关碳基材的超级电容的申请有2560篇，其中多孔碳因具有较高的比表面积和孔隙率，且相对于碳纳米管、石墨烯等具有成本低廉、原料丰富、适合大规模生产等优点依然是超级电容器的热门电极材料。何孝军等人采用花生壳为原料、KOH为活化剂，所得多孔炭材料作为超级电容器电极材料表现出较好的稳定性（CN102417178）。而且，作为多孔碳的一种，活性炭作为超级电容的电极材料有着更进一步的优势，将具有1600cm2/g特定表面的活性碳细微粒子放入模具，不使用任何粘结剂，施加300kg/cm2的压强，分别供给一个90秒钟的750A的离子脉冲电流和一个120秒钟的1000A的热电流，从而产生一个薄圆盘形的细微碳粒子的多孔烧结体，即得到活性炭电极（JPH0378221 A五十铃汽车有限公司）。然而，活性碳系列的材料导电性较差，所得电容器等效串联电阻大。而且该活 性碳系列的比表面积实际利用率不超过30%，电解质离子难以进入，因此不 适于用作超级电容器的电极材料。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）的出现为超级电容器的开发提供了新的机遇，它具有良好的导电性能且本身的比表面积大，制得的超级电容器 具有较高的比电容量和电导率。（CN101425380清华大学）

然而，无论怎样，以碳材料作为电极材料虽然有诸多优点，但是由于其只利用双电层储存能量，在性能方面有所限制，因此出现了金属氧化物材料的电极开发与研究。

1.2 金属氧化物材料

法拉第赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物上，比如氧化钌，氧化镍，二氧化锰等。他们不同于双电层电容器中碳材料电极那样存储能量，而是在电容器进行充放电时，金属氧化物与溶液的界面处发生可逆氧化还原反应，从而获得更大的比容量。目前世界范围内关于金属氧化物材料的超级电容的专利申请量为413篇。刚开始研究的电极材料是氧化钌材料，然而，由于钌金属属于贵金属材料，虽然其拥有良好的效果，由于价格昂贵，很大的程度上制约了钌金属电极材料的应用。所以，后来人们开始将目光转向其他的廉价金属以替代氧化钌，或者利用碳材料或其他金属化合物与其进行复合，在提高电极材料的同时，减少氧化钌的用量从而降低超级电容器的制造成本。比如，以二氧化锰作为电极材料，形成超级电容器（JP3935814 夏普公司），由于MnO2在充放电过程中发生了可逆的氧化还原反应，其比电容远高于活性炭电极的比电容。

1.3 导电聚合物材料

导电聚合物超级电容器与金属氧化物电容器同属于赝电容型超级电容器，因其良好的固有导电率和高能量密度，同时又有相较于金属氧化物更低成本的特征，成为了一种常用的电极材料。距今为止，有关导电聚合物电极材料的专利有250篇。导电聚合物超级电容器的最大优点就是能够在较高的电压下进行工作，克服金属氧化物超级电容器工作电压不高的问题。对阴极基材表面进行化学蚀刻，如涂覆腐蚀性物质或实施电化学蚀刻等，然后涂覆导电聚合物涂层，所述导电涂层包含烷基取代聚（3，4-乙烯二氧噻吩），采用这种聚合物，得到比许多传统涂层材料更高的电容（CN103310985 AVX公司）。通过使用规定的导电性高分子结合于表面，并且具有规定的直径的细孔容积为特定的比率的多孔质碳材料作为电极材料，可获得具有高静电容量，循环特性优异的双电层电容器。所述电性高分子为选自聚苯胺、聚吡咯、聚吡啶、聚喹啉、聚噻唑、聚喹喔啉以及它们的衍生物中的至少1种（WO2012050104 横滨橡胶株式会社）。

1.4 复合材料

为了进一步增大超级电容器的能量存储，使其具有赝电容性能以及双电层特性，单一材料作为电极材料不再满足人们的需求。制备利用碳材料作为基体的复合材料不仅增加了活性材料的有效利用，也增加了复合材料的导电率以及机械强度，现今，已有大量的文献和专利对碳材料作为基体来改善复合材料的电化学性能进行了研究，仅涉及复合材料的专利申请量就达到了355篇。例如，通过使氧化钌和特定的碳材料复合化，可以使氧化钌的比表面积和电极物质的空间这两者扩大，从而通过纳米复合化来实现电荷利用率的提高（CN1964917B 国立大学法人东京农工大学）。因此，未来对于超极电容器复合电极材料的研究可能会吸引越来越多的目光。

2 碳电极材料在超级电容器上的研究与应用

理论上，电极材料的比表面积越大，容量越大，越适合作为电容器电极材料。实际上，研究发现，高比表面积的碳材料的实际利用率并不高，因为碳材料的孔径分为微孔（<20nm）、中孔（2-50nm）、大孔（>50nm），其中对于形成双电层有利可以作为超级电容器电极的只有大于20nm孔径的材料，因此在提高比表面积的同时还要同时调控孔径的分布。目前，已有多种不同类型的碳材料应用于超级电容器电极材料上，关于碳电极材料的相关专利申请主要集中在活性炭、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管、石墨五个方面。如图2所示，不同的碳电极材料有不同的特征。

2.1 活性炭

活性炭是一种由无定形碳和石墨微晶组成的多孔材料，一般在多孔碳的比表面积大于500m2/g时被称为活性炭。由于活性炭的微孔而具有大的比表面积，因此，通常使用包含活性炭的电极材料用作超级电容器的电极，使其表面与电解质接触（KR20100011228 LS美创有限公司）。然而活性炭的导电性不强，因此在利用活性炭制得电极时，可以对普通活性炭进行化学改性，使之具有良好的导电性、较高的表观密度和高比容量，并加入乙炔黑等导电剂以增强活性炭电极的导电性（CN1419256 A成都茵地乐电源科技有限公司）。

而且，活性炭的来源十分广泛，作为超级电容器的关键材料直接影响到超级电容器的性能。目前，常用的活性炭的制备原材料主要来自石油基原料、植物、甚至污泥等，例如，以甘蔗渣（例如冲绳产或其它的来源）获得的原料经碳化获得碳化物，将碳化物进行碱活性化得到活性炭（CN101503189 产业技术研究所股份有限公司）;以小麦面粉、玉米面等为原料制备超级电容器用活性炭（US8318356B2 康宁股份有限公司）;利用低密度农业废弃物，通过二氧化碳或者水蒸气活化从而制备活性炭（US6537947B1 迪尔公司）。因此，活性炭的来源广，成本低，也是其一直备受青睐的重要原因。

2.2 碳纤维

碳纤维属于高效吸附性材料，由于其表面碳原子的不饱和性，它可以以化学形式结合其他原子和原子团，因此碳纤维具有更由于活性炭的吸附性能。利用高密度的高导电性碳纤维作为负极活性物质，所制得的超级电容器的库仑效率将提高90%或者更高（JP2811389B2 B2 日本电池株式会社）。通过添加细微碳纤维来改善充放电容量、改善电极极板强度，这里提到的细微碳纤维，一般是利用烃的热分解气相法制造的（JPH5-321039 昭和电工株式会社），这种碳纤维的直径通常为0.01-5um。然而，为了提高电池或电容的充放电容量，以提高负极材料的结晶性来提高容量时，不仅仅是负极材料，进而对添加材料也要求具有放电容量高的材料。因此，对于其添加材料的碳材料，提高其结晶性并获得导电性好的细微碳纤维是十分有必要的（CN1343269 A昭和电工株式会社）。现在，关于碳纤维作为超级电容器电极领域的研究仍然吸引着众多学者的关注，有关的专利申请量为157篇。

2.3 碳气凝胶

碳气凝胶是由美国人Pekala首先发现的一种新型纳米多孔材料，一经出现立刻引起各国研究工作者的浓厚兴趣。通过调整碳气凝胶的孔隙大小，其具有更优良的导电性（JP2011159960 三星电机株式会社）。另外，由于经过溶胶-凝胶化反应得到的碳气凝胶材料一般呈块状，这时需要把块状气凝胶球磨成微米级粉末（～10μm），不仅费时费力，还费钱。因此出现了一种直接制得粉末状碳气凝胶的制备方法，可以满足应用多样化的需求（CN103449406 A 中山大学）。但是，现阶段制备碳气凝胶的工艺较为复杂，在制备碳气凝胶的前驱体时通常采用超临界干燥技术，该方法成本高，过程复杂，生产周期长，规模化生产难度大，并且具有一定的危险性，因此各国的研究者都在探索常压干燥代替超临界干燥的制备工艺。

2.4 碳纳米管

自1991年日本NEC公司的Iijima发现碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）以来，其具有的优良的机械和光电性能，被认为是复合材料的理想添加物。纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此，按照石墨烯片的层数，碳纳米管材料可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。为了获得更高的电容量，将碳纳米管与一结合剂混合，模制成一平板价型，制得电极，其中碳纳米管可以是单壁或者多壁碳纳米管（CN1317809株式会社日进纳米技术）。将碳纳米管将单壁碳纳米管与甲醇溶液混合搅拌制得单壁碳纳米管的分散液，将此分散液在减压气氛中通过PTFE滤纸得到一纸膜压单壁碳纳米管片材，将该片材放置于刻蚀铝箔的表面，然后设置隔膜等，制得超级电容器（US2010259867 A1 日本化工株式会社）。以多壁碳纳米管为原料，与浓硫酸和浓硝酸混合加热，获得预氧化的碳纳米管，清洗后与插层剂混合烘干后二次加热，膨胀后得到石墨烯纳米带，活化处理后得到多孔石墨烯纳米带制备超级电容器（CN103332689中国科学院宁波材料技术与工程研究所）。或者将单层碳纳米管与多层碳纳米管混合，与粘结剂作用制得电极材料（JP2008010681 A爱考斯研究株式会社）。

2.5 石墨

单层石墨材料作为新型的超级电容器的电极材料，是利用其二维结构，具有极大的比表面积，低比重，单片片层厚度在0.34nm～2nm之间分布，表面的官能团存在使单层石墨材料与电解液充分润湿。与传统的活性炭作为电极材料的超级电容器相比节省能源;与碳纳米管

作为电极材料的超级电容器相比，成本低廉。新型的超级电容器性能

良好，具有很高的比电容及高的能量密度（可达50Whkg-1），其比功率更可高达40kWkg-1（CN101383231 南开大学）。

3 总结

综上所述，除了进一步提高现有体系的性能外，今后超级电容器用碳电极材料仍然是通过对其储能机理与制备方式的研究与开发，寻找更为理想的超级电容器电极材料，为提高超级电容器的功率密度和能量密度制造出新型的商业化储能器件。而且，就生产成本来说，碳材料毋庸置疑是目前为止的超级电容器电极材料中最为廉价的电极材料，对于众多产业和公司而言有着极大的吸引力，对于此类材料的研究将一直是人们的重点。