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毕业论文课题相关文献综述
文献综述
1.课题的背景与意义
超级电容器（Super capacitors，ultra capacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。其介于普通电容器和化学电池之间的储能器件, 兼具两者的优点, 如功率密度高、能量密度高、循环寿命长、可快速充放电, 并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性。它涉及材料、能源、化学、电子器件等多个学科, 成为交叉学科研究的热点之一[1]。
蓄电池是典型的低比功率高比能量的储能元件，无法快速充放电，循环寿命短，因而在脉冲功率技术中的应用受到限制[2]。静电电容器是典型的高比功率低比能量的储能元件，可在纳秒级脉冲方式下工作，但其能量密度低[3]。超级电容器作为一种新型储能元件，其能量密度和功率密度介于二者之间，很好的填补了二者间的空白，就比能量和比功率而言，此空白覆盖几个数量级，能获得所有类型电容器中最大的比电容和能量密度，可做成法拉级的小型电容器，且可实现大电流快速充放电(几秒至几十秒)，充放电周期很长(大于105次循环)，不用重金属，对环境无污染[4-7]。
脉冲电源的基本工作原理：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；然后向中间储能和脉冲成形系统充电（或流入能量），能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等某些复杂过程之后，最后快速放电给负载。用户的负载需要断续加电，即按照一定的时间规律，向负载加电一定的时间，然后又断电一定的时间，通断一次形成一个周期。如此反复执行，便构成脉冲电源。
在一些需要高功率，快速储、释能的脉冲电源应用场合，超级电容器储能将发挥显著的优势。超级电容器的可以大电流快速充放电的特点，使其在瞬间大功率脉冲电源上具有巨大的应用前景[8]。单体超级电容器储能量有限，如何通过串并联方式构成超级电容器储能阵列使得能量充分有效的利用、如何利用好超级电容器的快速储、释能特性并与电力电子技术、先进的控制手段相结合，充分发挥其响应速度快、可以大功率，短时间放电等一系列的优点以及如何高效管理超级电容器堆都是当今研究的热点所在，超级电容器储能在工业，军事等大功率应用领域都有着广阔的应用空间[9]。
2.课题的国内外研究现状的介绍以及应用
在超级电容器的产业化上，从十九世纪Helmholtz提出双电层理论，到实现超级电容器产品，中间经历了很长一段历史，在1957年Becker获得了双电层电容器的专利，才使超级电容器的产品化有了新的突破。他利用了多孔活性炭材料作为双电层电容器的电极，组成了最初的双电层电容器单元[9]。1985年日本NEC公司率先实现产业化，推出了百法拉级超级电容器产品，并于 1991年研制出了1000F/5.5V 储能约6kJ的活性炭双电层电容器，单体器件的上作电压约为0.9V，6个单体器件串联组成一个5.5V电容器[10,11]。现在MAXWELL， EPCOS, NESS等多家公司，都已经可以生产容量从几法拉至数千法拉的超级电容器系列产品。其中Maxwell公司生产的超级电容器产品BCAP2600-E270，就己达到了功率密度5.72 kW/kg，能量密度17.2 kW/kg。NESS公司的ESHSP-S000C0-00287产品，其能量密度也达到了5.69Wh/kg[12,13]。在我国，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北京金正平公司、解放军防化院、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等正在开展超级电容器的研究。总的来说，当前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器[14,15]。
国外用固态开关器件来实现脉冲源已经有20年了，特别是用于同步加速器中的脉冲源，技术十分成熟。1998年，LLNL(Los Alamos National Laboratory)设计的ARM-II，用于感应加速器，每个调制器由1300多个场效应管所组成，28层串联的MOSFET，其输出电压可达15kV，电流4.8-6kA，脉宽200ns到2s可调，最高重复频率2MHz[16]。日本KEK的12GeV-PS感应同步加速器，其功率源由一个全桥MOSFET开关电路组成，4个桥臂中，每一个都是7个MOSFET串联，输出电压幅度是2.5kV，电流18A，上升时间和下降时间都为30ns。而且可以同时输出正负极性的脉冲，具有24小时连续工作的能力[17,18]。美国 DTI(Diversified Technologies)开发了一套由IGBTs和MOSFETs组成的固态脉冲源，输出电压超过10K，电流超过200A，触发频率3MHz，多脉宽可达10-100ns[19]。
在国内，脉冲电源在很多领域获得了广泛的应用，其应用领域包括：激光器供电、电火花加工、静电除尘、脉冲电镀、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域[16]。
3. 基于超级电容的脉冲电源的设计课题应用前景
超级电容器的技术己趋于成熟，其应用范围也在不断地拓展，基于超级电容的脉冲电源在家用电器、仪器设备、信息通讯、交通运输、工业生产、军事装备等领域均具有较好的应用前景。从小容量的特殊储能到大规模的电力储能，从单独储能到与蓄电池或燃料电池等组成的混合储能，超级电容器都展示出了独特的优越性。
在军事装备方面，由于军事战争的特殊性，在一些极端情况下，需要配备独立的供电系统及储能设备。未来战争中的诸多电磁武器将从军备电网中吸收脉冲功率，这就要求军备储能装置需要具备高储能密度和高功率密度两大特性。超级电容的优越特性将解决这个问题。为满足电磁发射装置的负载特性，输出波形可以灵活调节的高幅值脉冲电流，一般使用由多个电容器储能的脉冲功率模块组成电源系统，并采用时序控制实现负载对脉宽和波形的要求[9]。国外己成功研制了储能密度为1.2MJ/m3、充电电压为16kV能量为250kJ的单 PFN(功率形成网络)模块，总的PFN模块能量合计可达30MJ的水平[20]
基于超级电容的脉冲电源目前在电动车的动力系统的应用中也十分广泛。电动车要求动力系统具备高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及寿命长等特点。基于超级电容的脉冲电源可以满足电动车在爬坡，启动等功率消耗较大时段对动力电源的需求。瑞士的PSI研究所按照峰值功率给一辆48kW的燃料电池车安装了一个360Wh的超级电容，超级电容承担驱动系统在减速和起动时的全部瞬态功率，超级电容在燃料电池瞬态间隙期间，以 50kW的15s额定脉冲功率工作，牵引电机额定的连续功率为45kW，峰值功率为75kW，直流电压360V[21]。基于超级电容的脉冲电源的无污染，清洁度高的特点也使其在电动车行业的应用更加广泛。
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