项目二
新能源汽车电力电子元器件
任务一 超级电容原理与应用
一、任务目标
◆能够描述电容的作用。
◆知道电容与超级电容的不同点。
◆能理解超级电容的基本结构与工作原理。
◆能使用示波器测量超级电容充放电的波形，分析出其工作特性。
◆正确规范地使用实训板，养成良好的新能源汽车维修职业素养。
二、课前资讯
由老师播放2.1.1视频，然后完成以下题目。
得分：__________评分规则：每空1分，少填、错填一空扣1分，共5分。
1）超级电容的作用类似于蓄电池。（ ）
2）超级电容的电容量非常小。（ ）
3）超级电容的充放电速度非常快。（ ）
4）超级电容的制造成本比普通的锂电池的成本高。（ ）
5）超级电容与普通的电容结构和材料一样。（ ）
三、任务导入
超级电容是发展比较迅速的一种新型储能装置，广泛应用在新能源汽车制动能量回收系统中。新能源汽车在制动或减速的过程中，通过电机将汽车动能转换成电能，并储存在超级电容内。汽车重新起步或加速时，超级电容和动力蓄电池同时对电机供电。
本任务实训通过搭建电路，认识超级电容充放电过程，学习超级电容的原理以及特性，并通过规范的操作，养成良好的职业素养。
四、知识准备
知识链接1：电容的认知
电容是电容器的简称，是电子电力领域中不可缺少的电子元件，主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔直流等电路中。电容最常见的结构就是两块平行金属板，如图2-1-1所示。两块金属板（一般称为极板）之间不导通，极板之间的绝缘材料可以是空气、油等绝缘物。
图2-1-1 电容的结构
同时，电容也是表征电容器储存电荷能力的物理量，一般记为C，国际单位是法拉（F）。如果一个电容器储存1C的电荷量时，两极板间的电势差是1V，则这个电容大小为1F，即C=Q/U。
电容的大小不是由Q（带电量）或U（电压）决定的，它与电容极板的面积S、极板间距d和极板间的绝缘介质有关。一般来说，极板面积越大，极板间距越小和极板间介质绝缘性越好，则电容越大。常见的平行板电容器，电容的计算公式为C=εS/d，ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离。
知识链接2：电容的充放电过程
充电过程：电容与直流电源相接，如图2-1-2所示。电路中有电流流动，两块极板分别获得数量相等、正负相反的电荷量。电容充电过程中，其两端的电压Uc逐渐增大。一旦电容两端电压UC与电源电压U相等，充电完成，此时电路中的电流停止流动，电路可视为开路。
放电过程：电容与电源断开，并连接到电阻RD，电容通过电阻RD进行放电，两块极板之间的电压将会逐渐下降为零，UC=0，如图2-1-3所示。
图2-1-2 电容充电电路
图2-1-3 电容放电电路
在图2-1-2和图2-1-3中，RC和RD的电阻值分别影响电容的充电和放电速度，这是因为电阻控制了充放电电流的大小。电阻值R和电容值C的乘积称为时间常数τ，这个常数描述电容的充电和放电速度。电容值或电阻值越小，时间常数也越小，电容的充电和放电速度就越快，反之亦然。图2-1-4是电容充放电的曲线图。
图2-1-4 电容充放电曲线图
知识链接3：超级电容的结构原理
超级电容是指介于传统电容和蓄电池之间的一种新型储能装置，通过极化电解质来储能，允许大电流快速充放电。超级电容的结构如图2-1-5所示，由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。
当超级电容接通电源后，在电场力的作用下，吸引电解液中的阴离子向正极聚集，同时正极电解液中的阳离子向负极聚集，各自在正负极板上形成间隔非常小的离子层。放电时，正负离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。
图2-1-5 超级电容结构原理
知识链接4：超级电容与一般电容的区别
电容是一种储存电荷的“容器”，需要在外加电压的作用下才能储存电荷。不同的电容在相同大小的电压作用下，储存的电荷量也可能不相同。超级电容的电容大，储存电荷量的能力大；其次，超级电容的充电速度快，充电10s～10min可达到其额定容量的95%以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达数万次，并且没有“记忆效应”；大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率高于90%。
知识链接5：超级电容在新能源汽车上的应用
超级电容充电快，耐充电，能量转换效率高，同时存在高自放电的特性，可以作为新能源汽车的储能装置，最常用的领域当属新能源客车，宇通、金龙、金旅、海格、中车等知名企业纷纷将超级电容成功应用于新能源客车（图2-1-6）。
图2-1-6 超级电容在新能源汽车上的应用
在新能源客车领域，超级电容主要应用在城市混合动力客车制动能量回收系统。由超级电容模块组成的制动能量回收系统能够吸收并存储车辆在制动时产生的全部动能，并在客车起动或加速时将这些能量释放出来，从而使车辆节省能耗。
超级电容的缺点：一是安全性，过快的放电速度和过低的内阻，如果设计不好，本身就蕴含着“能量突然大爆发”的风险；二是较低的工作电压，制约了它在驱动汽车上的应用。不过随着技术的进步，这些问题都可以解决。
五、任务实施
1.实训设备认知
2.1.2 实训板认知
得分：__________评分规则：每空1分，少填、错填一空扣1分，共16分。
在标号对应空格处填写实训板组成部件的名称及作用。
2.实训设备检查与准备
检查设备并规范操作后填写下表。
得分：__________评分规则：每项1分，少填、错填一项扣1分，共11分。
实训设备检查表
3.识读电路图
得分：__________评分规则：每空1分，少填、错填一空扣1分，共6分。
识读电路图2-1-7。
1）超级电容充电过程中，电流的流动方向：电池正极→二极管→__________→电流表→电池负极。
2）超级电容放电过程中，电流的流动方向：超级电容的正极→__________→__________→电流表→超级电容的负极。
3）二极管反向偏置处于截止状态，保护电路不受损坏。
4）电流表与超级电容__________（串联/并联），通过电流表示数可以读出流过超级电容的电流大小。
图2-1-7 电路图
5）电压表与超级电容__________（串联/并联），通过电压表示数可以读出超级电容两端的电压大小。
6）开关__________（S1/S2）控制超级电容充电或者放电。
4.电路搭建及验证
得分：__________评分规则：每空0.5分，少填、错填一空扣0.5分，共35分；正确画出图像得2分，视情况可扣0～2分，共8分；正确连接电路图得4分，视情况可扣0～4分，共4分；总分47分。
2.1.3 实训板操作
根据电路图正确连接电路模块。图2-1-8为模块和实训板。
注意：连接电路前，确认电源开关处于断开状态。接线无误后，检查导线安装是否牢靠。
（1）探究超级电容充电过程中，在充电电压不变条件下，超级电容两端电压与电流的关系S1预先接到充电档位，接通电源瞬间开始计时，记录不同时刻电压表与电流表的数值。
电源接通瞬间，超级电容两端电压为__________V，电流为__________A；
5s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
图2-1-8 模块和实训板
10s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
15s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
20s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
25s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
30s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
35s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
40s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
45s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
50s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
55s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
60s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A。
根据所得数据，绘制充电过程中超级电容的特性图（图2-1-9）。
图2-1-9 充电中超级电容特性图
由此实验可知，在充电过程中，超级电容相当于电路中的__________（电源/负载），电压由__________（高/低）变__________（高/低），变化速度越来越__________（快/慢），最后接近__________V；电流由__________（高/低）变__________（高/低），变化速度越来越__________（快/慢），最后接近于__________A。
（2）探究超级电容放电过程中，超级电容两端电压与电流的关系S1接通放电档位的瞬间开始计时，并且记录不同时刻电压表与电流表的数值。
超级电容开始放电瞬间，两端电压为__________V，电流为__________A；
5s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
10s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
20s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
30s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
40s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
50s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
60s后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
2min后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
3min后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
4min后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
5min后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A；
6min后，超级电容两端的电压为__________V，电流为__________A。
根据所得数据，绘制放电过程中超级电容的特性图（图2-1-10）。
图2-1-10 放电中超级电容特性图
在放电过程中，超级电容相当于电路中的__________（电源/负载），电压由__________（高/低）变__________（高/低），变化速度越来越__________（快/慢），最后电压接近于__________V。电流由__________（高/低）变__________（高/低），变化速度越来越__________（快/慢），最后接近于__________A。
六、5S检查
得分：__________评分规则：每项1分，少填、错填一项扣1分，共5分。
七、课后习题
得分：__________评分规则：每空1分，少填、错填一空扣1分，共10分。
1.选择题
（1）当电容两端的电压增加时，其储存的电荷（ ）。
A.增加
B.减小
C.保持不变
D.波动
（2）电容两端的电压增加一倍时，则电容的大小（ ）。
A.不变
B.减半
C.加倍
D.4倍
（3）以下哪项措施可以增大电容值？（ ）。
A.极板间距增加
B.极板间距减小
C.极板面积减小
D.两端电压增加
（4）超级电容最突出的特点是__________（ ）。
A.电容值大
B.额定电压大
C.体积大
D.寿命长
（5）超级电容在充电时用（ ）吸附电荷来储存电能。
A.极板
B.隔膜
C.电解质
D.A和B
2.判断题
（1）电容充电完成后，电路中的电流停止流动，电容可等效为开路。（ ）
（2）超级电容主要由极板、电解液、隔膜等组成。（ ）
（3）超级电容充电速度快，但使用寿命短。（ ）
（4）电容极板面积越大，极板间距越小和极板间介质绝缘性越好，则电容越大。（ ）
（5）超级电容在储存过程中发生化学反应，储能过程是可逆的。（ ）
评分汇总
