一、超级电容技术介绍
超级电容是一种介于传统电容和蓄电池之间的新型储能器件，其既具有电容器快速充放电的特性，又具备电池的储能特性。超级电容器的电容量达到法拉级别，是传统电容器的数百甚至上百万倍；同时超级电容器继承了传统电容器高功率密度、充放电时间短、宽温度范围、寿命长等优点，可反复循环使用，与其他储能技术相比效率更高、更环保，符合新能源的发展趋势。
超级电容最早是由通用电气在1957年发明的，但当时并没有得到商业化的应用。1966年，标准石油公司在钻井时偶然发现了双层电子电容。然而直到19世纪70年代末期，超级电容才被日本NEC公司首次商用化应用在电脑上，作为内存的备用电源。1990年，俄罗斯ECOND公司开始将超级电容用于柴油火车上作为发动机引擎，拓展了超级电容的使用范围。
二、超级电容器分类
1、双电层电容器
2、赝电容器
三、电池、电容与超级电容的区别
电容和电池都是用于储能的，但是电池是通过化学反应来储存和释放能量，它包括正极和负极，当中充斥着电解液，并通过一个微穿孔分隔层隔开，只允许离子通过。当电池充放电的时候，离子在两块金属板之间进行不同方向的位移，在这个移动的过程中，电池热量上升、膨胀、最后收缩，这种化学反应不断减少了电池的寿命。电池的一个优点在于它有非常高的能量密度，因此可以存储大量的能量。
但电容不同，它不依赖于化学反应，因此它是以静电电荷的形式来存储能量。电容内的两块金属板之间安置了一个电介质，或叫绝缘体来分隔正负极区域所形成的正电荷和负电荷。正是这种结构使得其可以存储并迅速地释放能量，也就是静电电荷。它的一个优点是，假如一个3V的电容，在放置了15-20年之后，仍然具有3V的电压。而电池的电压却会逐年衰减。另外一个优点是，电容拥有比电池更高的能量输出能力，所以它能在短时内迅速地充放电。但缺点是，它们的能量密度非常低，因此，比较适合用于瞬时供电。
而超级电容则弥补了电池和电容的缺点。首先，超级电容中电介质的两侧充斥的是电解液，通电时电介质两侧聚集离子，形成双层电子结构。两个金属板之间的距离决定了超级电容的性能比普通电容、甚至电池更优。普通电容中，两个金属板之间的距离约为10-100微米，而超级电容中两个金属板的距离为一万分之一微米。距离的缩小意味着更大的电场，也就意味着更多的能量存储空间。同时，超级电容中金属板的碳涂层又增加了能量存储所需的表面积达10万倍，因此，和普通电容相比，所能存储的能量大大增加。
电池存储的是以瓦时计算的能量，电容存储的是以瓦特计算的功率。
电池以长时间恒定的化学反应来提供电能，充电时间相对较长，对充电电流的特性要求比较苛刻。相反，电容的充电是通过加载在其两端的电压来完成的，充电速度在很大程度上取决于外部电阻。电池能够在较长一段时间内以基本恒定的电压输出电能。而电容的放电速度很快，输出电压呈指数规律衰减。
电池只能够在有限的充/放电次数内保持良好的工作状态，充/放电的次数取决于它们放电的程度。电容，尤其是超电容，可以反复充/放电达数千万次。(这也是超电容不同于电解化学的一个重要方面——它们不像电解化学的工作过程那样具有电极板充放电次数的限制。)
电池比较笨重，电容比较轻巧。
四、超级电容的应用领域
超级电容主要用于需要快速充放电循环的场景，而不是需要长期紧凑能量存储的场景，比如在汽车、公交车、有轨列车、起重机、电梯上，主要用于制动能量回收、短期能量存储以及突发情况下的电力传输。小一些的单体主要用于静态随机存储（SRAM）的电源备份。
汽车与风电是超级电容器的两大主要应用领域。汽车方面主要是有轨电车、电动汽车、混动汽车领域；在有轨电车行驶过程中，超级电容器可吸收列车制动产生的能量，避免大量电能的浪费，最多可回收80%的能量，能量利用效率高。超级电容器在电动车与混动车的启停系统中也能起到关键作用。
超级电容器作为一种新兴储能技术，发展也一直备受关注。
1、电力领域
在电力领域，超级电容器主要作为馈线终端设备FTU后备电源，或在微电网及公用电网内提供电压、频率和功率稳定化服务，以及在风光发电领域用于为变桨系统提供动力、平抑短期功率波动等服务。
1.1 FTU 后备电源：
线路有电时，DC/DC电源模块为FTU 提供工作电源。当线路失电时，超级电容作为FTU 的后备电源，同时也为开关设备的电动分闸机构提供分闸电源。
1.2 微电网及公用电网超级电容储能系统：
（1）微电网功率调节，平稳输出，提高蓄电池使用寿命
用于调整微电网功率，以及提供微电网功率支撑。超级电容可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求。针对系统故障引发的瞬时停电，电压骤升骤降等问题，利用超级电容提供快速功率缓冲，稳定、平滑电网电压波动。风力或太阳能发电构建的微电网非常需要超级电容作为稳定系统。
微电网通常由清洁和可再生能源供电。然而，大部分能源的产生并不是全天持续的，通常与需求不匹配。超级电容器可用于微电网储能，在需求高、电能瞬时下降时瞬间注入电能，在反向条件下进行储能。它们在这种情况下是有用的，因为微电网越来越多地产生直流电力，电容器可以在直流和交流应用中使用。超级电容器与化学电池配合使用效果最佳。由于其高充放电率，它们通过主动控制系统提供了一个即时的电压缓冲器，以补偿快速变化的电力负载。一旦电压被缓冲，它通过逆变器向电网提供交流电源。值得注意的是，超级电容器不能在交流电网中直接以这种形式提供频率校正。
当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微电源的功率波动有两种平衡方式，将分布式储能和需要储能的微电源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微电源的直流母线上。储能在微电网中发生作用的形式有:接在微电源的直流母线上、包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。其中，前两种可称为分布式储能，最后一种叫做中央储能。在超级电容电池组充放电过程中，端电压范围变化大，通常必须采用DC / DC变换器作为接口电路来调节超级电容电池的储能和释能。DC / AC变换器可采用双向DC / AC逆变器，或者采用AC / DC整流器及DC / AC逆变器。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。
超级电容因其具有能在短时间内提供大功率的优点，使得其在作为分布式能源的储能系统上发挥出了优势。文献介绍了一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统，该系统的特点是在风电场输出母线配置PCS，并将超级电容器组成容量较大的电容器组作为储能装置并联于PCS直流侧。通过变流器的控制，超级电容可以抑制风电场的有功波动，同时能调节无功从而稳定并网电压，提高风电场的电能质量。文献[10]对超级电容和蓄电池的混合储能在独立式光伏系统中的应用进行了实验研究，结果表明，太阳电池在外界环境波动较大的情况下，混合系统的功率输出平稳，且蓄电池仍能稳定充电，提高了系统的利用率，减小了蓄电池的循环次数，提高了蓄电池的使用寿命。
（2）提高储能装置的功率输出能力，降低内部损耗，增加放电时间，延长蓄电池使用寿命，缩小储能装置体积。提高供电系统的可靠性和经济性。
从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性。将超级电容器与蓄电池混合使用，将大大提高储能装置的性能。超级电容器与蓄电池并联，可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间；可以减少蓄电池的充放电循环次数，延长使用寿命；还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。
1.3 在风力发电领域用于为变桨系统提供动力：
风力发电变桨用超级电容器的基本工作原理为，平时由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器充电。当需要为风力发电机组变桨时，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。风力发电系统的投资加大将有望带动超级电容发展。目前风力发电主要的储能系统有蓄电池和超级电容器两种方案。蓄电池方案的不足体现在充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；维护成本大，低温特性不好，循环寿命短，可靠性不强。超级电容器方案具有高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、长循环寿命、免维护的优点，因此极为适合在风力发电机组这样的工况环境中工作。
根据中国电源行业协会发布的《2018年储能产业应用研究报告》，截至2017 年底，全球投运的超级电容器项目规模约31.9MW，主要分布在美国、韩国和中国。应用场景统计分析，超级电容器储能电站主要参与电网调频辅助服务和输电支持，两者占超级电容器储能规模的100%和75%。中国超级电容器储能规模项目装机规模约4.9MW，整体规模较小。
包含超级电容器的微电网系统构架
目前光伏储能用的逆变器大部分是使用薄膜电容器设计方案，超级电容微储能装置可快速功率响应、主动抑制电网谐波、灵活调节无功、提高供电可靠性，助力电网运行更加安全可靠。
1.4 负荷电能质量调节
基于APF(Active Power Filter，电力有源滤波器)拓扑的电能质量调节器，其原理是在直流侧并联超级电容，利用其快速充放电性能达到补偿负荷的功率波动和电压波动的作用;
近年来，由于大量含有电力电子装置的非线性负载接入电网而导致了电网谐波水平逐年升高的问题和由交直流电弧炉、电弧焊机、工业轧机、绞车、电力牵引机车等大容量冲击性负荷的启动引起的电压暂降问题等负荷电能质量问题越来越受到人们的重视。提出了负荷质量调节器(Unified Load Quality Conditioner，ULQC)的概念，该调节器的主电路以并联型APF拓扑为基础，在直流母线上放置超级电容作为储能装置，并设计双管升降压斩波电路来控制超级电容，利用超级电容容量大充放电速度快的特点调节器能够快速平抑负荷的波动功率或突变功率，从而改善负荷的品质，到达提高电能质量的效果。
1.5 稳压器
超级电容器可以作为阻尼器来稳定电力线的电压波动。风能和光伏系统的供应波动是由飓风或云引起的，超级电容器可以在几毫秒内缓冲。
2、交通
1）航空。2005年，航空航天系统和控制公司Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH选择超级电容器为包括空客380在内的客机的门和疏散滑梯的应急执行机构提供动力。
2）军事。超级电容器的低内阻支持需要短期大电流的应用。最早的用途是用于坦克和潜艇中的大型发动机的电机启动(冷启动发动机，特别是柴油发动机)。超级电容缓冲电池，处理短电流峰值，减少循环和延长电池寿命。进一步需要高比功率的军事应用包括相控阵雷达天线、激光电源、军用无线电通信、航空电子显示器和仪器仪表、安全气囊部署和gps导航的备用电源。
3）汽车。丰田的Yaris Hybrid-R概念车使用超级电容器来提供阵阵动力。标致雪铁龙(PSA Peugeot) Citroën已经开始使用超级电容器作为其启停节油系统的一部分，该系统可以实现更快的初始加速。[113]马自达的i-ELOOP系统在减速时将能量储存在超级电容器中，当发动机被启停系统停止时，该系统公共汽车/有轨电车[编辑] 麦克斯韦科技，一家美国超级电容器制造商，声称超过2万辆混合动力公共汽车使用这种设备来增加加速度，特别是在中国。广州,2014年,中国开始使用有轨电车供电与超级电容器充电的设备定位之间的rails 30秒,储存电力有轨电车运行长达4公里,足以到达下一站,在哪里可以重复循环。CAF还以ACR系统的形式为Urbos 3有轨电车提供超级电容器。
在启停系统中，汽车发动机多次启停，会大大缩短启停系统的电池寿命。如果配备一个小型的超级电容用以消除电池自身的功耗，可以减缓电池的衰老，同时有利于车辆节省油耗，减少排放。目前超级电容主要和电池相配合形成智能启停控制系统。超级电容器在智能启停控制系统的应用原理主要是：减速或短停车时，将制动过程中产生的能量转换成电能储存在电容器里；前进或加速时，电容器则将电能瞬间输出给智能启停控制系统中的电机，带动发动机工作，实现快速启动。
保护各种引擎控制部件和微控制器免受瞬态负载突变导致的电压暂降的干扰。(电压尖脉冲由其他方法来处理。) 这些瞬态负载突变通常与发动机有关。
4）有轨电车。美国超级电容器制造商麦克斯韦科技公司声称，超过2万辆混合动力公交车使用这种设备来加速，尤其是在中国广州，2014年,中国开始使用超级电容器为有轨电车供电与充电，设备定位之间的铁轨30秒储存电力，有轨电车运行长达4公里,足以到达下一站。CAF还以ACR系统的形式为Urbos 3有轨电车提供超级电容器。
3、消费电子等常规领域
1）消费电子产品负载波动较大的应用中，如笔记本电脑、pda、GPS、MP3中，超级电容器可以稳定电源供应。超级电容器可为数码相机的摄影闪光灯和LED手电筒供电，充电时间要短得多，比如90秒。
2）能量收集。超级电容器是一种适合于能源收集系统的临时能源存储设备。在能量收集系统中，能量从环境或可再生资源(如机械运动、光或电磁场)中收集，并在能量存储装置中转换为电能。例如，从射频场(使用射频天线作为适当的整流电路)收集的能量可以存储到打印的超级电容器中，然后，收集的能量被用来为专用集成电路(ASIC)电路供电。
3) 与电池相结合。超级电池混合了铅酸电池和超级电容器。其电池结构包含标准铅酸电池正电极、标准硫酸电解质和特殊制备的碳基负电极，和双层电容存储电能。超级电容电极的存在改变了电池的化学性质，并在高率的部分充电状态下对其提供了显著的保护，这是使用这种方式的阀控铅酸电池的典型故障模式。这种电池的性能超越了铅酸电池或超级电容器，充放电速率、循环寿命、效率和性能都得到了提高。
4）太阳能路灯。采用Maxwell超级电容器的太阳能 路灯项目也已经在蒙古、印度尼西亚、几内亚等陆续开展。相较于普通路灯，太阳能-超级电容器路灯无需建设电网，能在极端高低温下稳定运行，免维护且寿命长 达10年以上。
4、能量回收
所有交通工具的一个主要挑战是减少能源消耗和减少二氧化碳排放。回收制动能量(恢复或再生)有助于两者。这就要求组件能够在长时间内以高循环速率快速存储和释放能量。超级电容器满足这些要求，因此在运输的各种应用中使用。
在城市轨道系统中采用的超级电容主要有两种工作模式：一种是作为能量储存器，它吸收了车辆制动过程中产生的能量，直到后面有车辆处于加速状态时才将能量释放到供电系统中；一种是作为稳压器，它总是保持在高容量的状态，当供电系统的电压低于规定值时才开始放电。传统锂离子电池的电动汽车充电动辄数个小时，而采用超级电容技术的储能式电力牵引轻轨车辆利用乘客上下车的时间，在站台30秒内快速完成充电，一次充电后能连续行驶2 公里，到达下一站台再行充电，周而复始，为车辆运营带来极大便利。
1）铁路。超级电容器可用于柴电传动内燃机车起动系统的电池补充。电容器捕获全停车时的制动能量，提供起动柴油机和列车加速的峰值电流，确保线路电压的稳定。根据驾驶模式高达30%的节能是可能的回收制动能量。低维护成本和环保材料促使人们选择超级电容器
2）起重机、叉车和拖拉机。移动式混合动力柴油-电动橡胶轮胎龙门吊在码头内移动和堆叠集装箱。提起这些箱子需要大量的能量。在降低负载的同时，一些能量可以被重新捕获，从而提高效率。一种三重混合动力叉车使用燃料电池和电池作为主要的能源存储和超级电容器通过存储制动能量来缓冲功率高峰。他们提供的叉车峰值功率超过30千瓦。与柴油或燃料电池系统相比，三重混合系统可节省50%以上的能源。
3）轻轨和有轨电车。超级电容器不仅可以减少能源，还可以取代历史城区的架空线路，从而保护城市的建筑遗产。这种方法可以让许多新的轻轨城市线路取代架空电线，因为架空电线太昂贵，无法完全铺设线路。
4）巴士。2001年，欧洲第一辆配备超级电容器的混合动力巴士出现在德国的纽伦堡。这就是MAN公司所谓的“超级巴士”，并在2001/2002年进行了实际操作测试。测试车辆配备了结合超级电容器的柴油-电力驱动。该系统配有8个80v的超级电容模块，每个模块包含36个组件。该系统工作电压为640 V，可在400 A充放电。其能量含量为0.4 kWh，重量为400 kg。超级电容器重新捕获制动能量并提供启动能量。燃料消耗降低了10比1
5）赛车。国际汽联是赛车赛事的管理机构，提出了f1的传动系的监管框架1.3版2007年5月23日,一组新的力量训练规定发布,其中包括一个混合驱动器的输入和输出功率200千瓦使用“解决”由电池和超级电容器并联连接(KERS)。使用KERS系统可以达到约20%的坦克对车轮效率。
6）混合动力电动车。超级电容器/电池组合在电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的研究很好。[92][144][145]回收电动汽车或混合动力汽车的制动能量可以减少20%至60%的燃料。超级电容器的充电速度比电池快得多，其稳定的电气性能、更宽的温度范围和更长的寿命是合适的，但重量、体积，尤其是成本削弱了这些优势。
7）吊船。阿联酋航空公司的缆车，也被称为泰晤士缆车，是从格林威治半岛到皇家码头，横跨泰晤士河，全长1公里(0.62英里)。客舱配备了由超级电容器供电的现代信息娱乐系统。
5、军事装备领域
在军事和航天领域，激光武器、航天飞行器等高功率军事装备使用高能量电池与超级电容器组合构成“超高功率脉冲电源”，重型卡车、装甲运兵车及坦克使用电池与超极电容器组合的混合动力系统。
新一代激光武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备，在发射阶段除装备有常规高比能量电池外，还必须与超级电容器组合才能构成"致密型超高功率脉冲电源"，通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整，使电脉冲推进器、电弧喷气式伺服器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的功率状态。此外，军事用途的载重卡车、装甲车辆、电动车辆在恶劣条件下，如启动、爬坡、刹车等过程，也必须使用电池与超极电容器组合的动力装置，即混合动力系统。在航天航空领域，超级电容器在飞机操作过程中作为爆发动力应用。卫星上使用的电源多是由太阳能电池与镉镍电池组成的混合电源，超级电容器能改善卫星的脉冲通讯能力。
6、工程机械领域
大型工程机械如电梯、港口起重机等利用超级电容组成的混合动力系统可以改善工程机械的能源消耗。
工程机械具有频繁启停、输出功率波动大等特点，所以储能元件需具备在相对短的时间内获取或释放的能量大(功率密度大)，充放电速度快，可充放电次数多等特点.因此，超级电容是工程机械混合动力单元储能原件的最佳选择。具体的应用情景包括电梯、港口机械等。
我国电梯每年总能耗超过300亿千瓦时，电梯成为耗能大户。电梯运行时，曳引机所产生的能量，大都采用制动电阻转化为热量的形式被消耗。通常一部电梯所消耗的电，超过1/3 是以热量的形式浪费掉。超级电容器可以将电梯制停的能量进行回收，再输出用于电梯运行，安装超级电容器的电梯运行2 年就可以收回安装成本。
在港口起重机和建筑/矿业市场上，港口起重机制造商通过在其设备中使用超级电容器，能够高效回收重物（集装箱）下降产生的再生能量，节油率30%；补偿发电机组柴油发动机的输出功率，使发动机的峰值功率降低50%；实现集装箱起重机在无作业时关闭柴油发动机，由CPLS系统为起重机待机时的用电系统供电；另外还可以改善发动机的尾气排放。
五、超级电容产业链分析
1、上游：
电极和电解液是关键材料，直接决定了超级电容器的主要性能指标（能量密度、功率密度、循环稳定性等）；
电极材料包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物。碳材料是目前使用最广泛的超级电容器电极材料，货源广且稳定，比表面积高，导电性能和化学稳定性好，但比容量较低。
电解液决定了超级电容器的工作电压和电流效率，同时还影响比功率和输出电流，其使用温度限制了超级电容器的使用范围。
越来越多的超级电容制造商将产业链向上游延申，稳定货源、降低成本，提高产品竞争力。
上游进入门槛高，具有较高的定价话语权。
2、中游：
超级电容器制造商。超级电容器的卷绕、封装工艺过程对产品可靠性有较大影响。
属于电子元器件资本密集型行业，研发费用逐年递增，江海股份2017年研发占比4.8%。
3、下游：
下游应用行业主要是：1）电网 26.9%；2）消费电子23.2%；3）汽车 23.2%。
超级电容器作为数据存储备用电源在消费电子领域的商业化成都已经成熟。
—— E N D ——
本文由【陆小尧】整理，侵删
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