国内外超级电容器相关标准对比分析

[摘 要]由于超级电容器具有比功率大、使用寿命长、极佳的安全性等特点，近年来不断获得各行业的重视，在混合动力汽车、储能式轻轨车、风力发电等行业被寄予了厚望。本文总结了国内外超级电容器的相关标准IEC62576、IEC61881-3、QC/T741，并对各标准的测试内容、测试范围、测试结果判定准则，暂存问题和展望等进行了分析。
[关键词]超级电容器 标准 对比
中图分类号：F416.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0065-01
随着资源的不断匮乏，以及全球环境恶化，新能源在全球范围内都是一个热门话题。而在所有的新能源中，电能是人类应用最成熟，也是目前使用量仅次于于石油、天然气、煤等资源的能源形势。但是随着全球资源枯竭，环境污染等问题的日益突出，人们不断寻找有效的电能的储存形式来扩大电能的利用，替代传统能源的消耗。电动汽车是最具代表性的产品，目前的电动汽车主要以各种新型电池作为动力源。
超级电容器是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。这种新型的储能器件在近几年被广泛关注是由于它相对电池具有高安全性，高功率特性，长寿命周期等优点。在实际应用中，超级电容器可以用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。为了保证超级电容器在使用过程中能够保障其优异的性能，合格标准将是产品对客户的最好承诺。本文将就超级电容器这个新兴器件的相关标准进行对比分析[1]。
1. 国外有关超级电容器的标准
国际电工委员会（IEC），是世界上最早的非政府性国际电工标准化机构，各个国家的委员会组成了这个国际范围的标准化组织，为了促进国际上的统一，各国家委员会要保证在其国内或区域标准中最大限度得采用国际标准。
目前IEC发布的适用于超级电容器的标准有三个标准分别介绍如下：
1.1 IEC62391-2006电气设备用固定式双层电容器[2]
该标准作为全球最早的一个公开的国际标准，其检测项目主要包括：
性能测试：容量、内阻、漏电流、自放电、高低温特性
寿命测试：焊接的耐热性、温度快速变化、耐久性
安全测试：引出端的坚固性、可焊性、振动、稳态湿热、元件的耐溶剂性
1.2 IEC62576-2009 混合驱动电动力汽车用电气双层电容器.电气特征试验方法[3]
该标准代表了欧洲的电动汽车领域对超级电容器的
性能测试：容量、内阻、功率密度、电压保持能力、充放电效率
寿命测试：耐久测试
另在本标准的图B1～4中列出了电容器内部温度变化曲线，该系列曲线用于指导某一温度下电容器在检测请所需的恒温时间具有指导意义。
1.3 IEC 61881-3-2012铁路应用--机车车辆设备--电力电子设备用电容器--第3部分：双电层电容器[4]
IEC61881-3是针对电容器中的超级电容器的性能、可靠性等方面的试验规范标准体系。在此标准系中，标准的主体框架中包含的测试项目如下：
性能测试：容量、内阻、漏电流、自放电、浪涌放电试验、温度试验、湿热试验、
寿命测试：高温耐久测试、循环耐久测试、无源可燃性测试、EMC测试
安全测试：绝缘测试、密封试验、机械强度测试、冲击和振动、泄压测试
由于超级电容器在原理上也是属于双电层电容器故在早期并未大量应用时，并没有独立编写超级电容器的标准。随着混合驱动的电动力汽车的大量投产，作为其核心部件的超级电容器的标准IEC62576也随之在2009颁布。在2012年，IEC 61881-3的颁布，则说明了超级电容器至少在欧洲的铁路行业已经获得了广泛的应用，并且获得了业内人士的足够重视。
2. 国内有关超级电容器的标准
国内目前公开发表的超级电容器有关的标准只有一个汽车行业标准： QC/T741。该标准发布时间同样是在2006年，与IEC62391-2006属于同一时期的标准。这个时期的超级电容器属于第一代超级电容器，区别于目前大量应用的超级电容器，其电解液多为水系。在该标准中检测项目主要包括[5]：
性能测试：容量、内阻、大电流放电、电压保持能力、高温特性、低温特性
寿命测试：循环耐久能力、耐振动性
安全测试：穿刺试验
总之，我国的超级电容器高端装备制造业在不断追赶国际水平的同时，国内标准的更新换代不如国际上的同行业，在今后的发展中，我国的业内人士将不断提高其重视程度，以规范和引领我国超级电容器制造和使用。
3. 标准的对比
这个国内唯一的标准与国际标准对比来看，主要具有以下不同：
在测试内容及覆盖范围方面，IEC62576、IEC 61881及QC/T741均有各自的覆盖范围和特殊要求，例如IEC 61881中对检测电流的要求与741明显不同，同时也存在适用性问题。例如对产品循环充放电的基准电流值的规定就存在巨大差异以及不合理性：以一个3000F和一个9500F的电容为例。在QCT741中，标准规定的采用10倍率充放电电流，其数值等于10×（CN×（UR-Umin）/3600），由此可知额定电压2.7V的3000F产品的进行循环寿命检测的电流是22.5A，9500F的电流是71.25A。而按照IEC 61881-3的标准（50 mA/F per cell），则3000F的进行循环寿命检测的电流是150A，9500F的电流是475A。国内的标准的小电流无法体现超级电容器能够大电流充放电的优势，而IEC标准中的算法显然没有预见到在短短的一两年时间内会出现单体容量远远超过3000F的产品。
在测试项目的表述方面，各个标准口径基本保持一致，比较统一。
在测试结果的判定准则方面，各个标准有着各自的规定。随着超级电容器的迅速发展以及科技进步，IEC61881中，提供了丰富的检测手段，但并不提供一个合格的评判标准，我们可以将之解读为一种为了提高标准生命力的严谨态度。这种不轻易判定的态度，为超级电容器的使用者、生产者等提供了手段，至于能否满足使用要求，交给客户来判断。这种编制标准的思想也许会是未来趋势，但如果附上推荐的合格标准供业内人士参考也许会更好。
展望标准是一个产品，一个行业能够得到长远发展的基础和规范，体现的应该是全行业的较高水平，从而形成标准与产品性能交替上升的良性发展过程。不论是IEC还是QC标准，都不能很全面得表征一个超级电容器的真正性能。在今后修编的标准中，如果能够体现不同行业对超级电容器这种器件的不同要求，使得超级电容器产品种类丰富化、行业区分化，在标准中使各个行业之间对超级电容器的要求存同求异，那无疑将是一个极具生命力的标准。
参考文献
[1] 康淑婷.超级电容器测试系统的研究[D].北京：北京交通大学电气工程，2012.
[2] QC/T741.车用超级电容器[S].北京：国家发展和改革委员会，2006.