超级电容详解和实例
来源: | 作者:佚名 | 发布时间: 2023-09-14 | 489 次浏览 | 分享到:

优点

在很小的体积下达到法拉级的电容量;无须特别的充电电路和控制放电电路;和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响;从环保的角度考虑,它是一种绿色能源;超级电容器可焊接,因而不存在像电池接触不牢固等问题;

缺点

如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;和铝电解电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路;

与电池的比较

超级电容器不同于电池,在某些应用领域,它可能优于电池。有时将两者结合起来,将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来,不失为一种更好的途径。

超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围,如果过放可能造成永久性破坏。

超级电容器的荷电状态SOC)与电压构成简单的函数,而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。

超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量,电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中,超级电容器是一种更好的途径。

超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响,相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。

超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。

超级电容器可以反复循环数十万次,而电池寿命仅几百个循环。

工艺流程

超级电容器的工艺流程为:配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。

超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳,碳电极材料的表面积很大,电容的大小取决于表面积和电极的距离,这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离,使超级电容器的容值可以非常大,大多数超级电容器可以做到法拉级,一般情况下容值范围可达1-5000F。

超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。在超级电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成双集电层。

如何选择

超级电容器的两个主要应用:高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用的特征:要求持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用:断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R),而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。

超级电容器应用广泛

下面提供了两种计算公式和应用实例:

C(F): 超电容的标称容量;

R(Ω): 超电容的标称内阻;

ESR(Ω):1KZ下等效串联电阻;

Uwork(V): 在电路中的正常工作电压

Umin(V): 要求器件工作的最小电压;

t(s): 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间;

Udrop(V): 在放电或大电流脉冲结束时,总的电压降;

I(A): 负载电流;

瞬时功率保持应用

超电容容量的近似计算公式,该公式根据,保持所需能量=超电容减少能量。

保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t;

超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),

因而,可得其容量(忽略由IR引起的压降)C=I(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

实例:

假设磁带驱动的工作电压5V,安全工作电压3V。如果直流马达要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。

因为5V的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而,可以将两电容器串联。如两相同的电容器串联的话,那每只的电压即是其标称电压2.5V。

如果我们选择标称容量是1F的电容器,两串为0.5F。考虑到电容器-20%的容量偏差,这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F的电容器,能提供1.5F/2=0.75F。考虑-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。大电流脉冲后,磁带驱动转入小电流工作模式,用超电容剩余的能量。

在该实例中,均压电路可以确保每只单体不超其额定电压。

脉冲功率应用

脉冲功率应用的特征:和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间从1ms到几秒。

设计分析假定脉冲期间超电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组成:由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下:

Udrop=I(R+t/C)

电容板

上式表明电容器必须有较低的R和较高的C压降Udrop才小。

对于多数脉冲功率应用,R的值比C更重要。以2.5V1.5F为例。它的内阻R可以用直流ESR估计,标称是0.075Ω(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ω*1.5=0.090Ω)。额定容量是1.5F。对于一个0.001s的脉冲,t/C小于0.001Ω。即便是0.010的脉冲t/C也小于0.0067Ω,显然R(0.090Ω)决定了上式的Udrop输出。

实例:

GSM/GPRS无线调制解调器需要一每间隔4.6ms达2A的电流,该电流持续0.6 ms。这种调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA卡上。笔记本的和PCMCIA连接的限制输出电压3.3V+/-0.3V笔记本提供1A的电流。许多功率放大器(PA)要求3.0V的最小电压。对于笔记本电脑输出3.0V的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V的工作电压下(最小3.0V),允许的压降是0.6V。

选择超级电容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ω,DC ESR:0.250Ω)。对于2A脉冲,电池提供大约1A,超电容提供剩余的1A。根据上面的公式,由内阻引起的压降:1A×0.25Ω=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由内阻引起的压降相比是小的。

结论

不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算.当电路的工作电压超过超电容的工作电压时,可以用相同的电容器串联.一般地,串联应该保持平衡以确保电压平均分配.在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案。

前景分析

从结构上看,超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板引线和封装材料组成,其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响,采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。

2007年1月16日,美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置,名为EEStor的公司打破沉默,对外宣告了他们“里程碑”式的成果:他们的自动生产线已经由独立的第三方分析验收,其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了最初的纯化,纯度达到了99.9994%。

这一技术一旦进入成熟的工业生产,他们所研制的新型超级电容器动力系统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照2006年4月发表的专利,EEStor这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。从技术上说,它并不是电池,而是一种超级电容器,它在5分钟内充的电能可以让一个 电动车走500英里,电费只有9美元。而烧汽油的内燃机车走相同里程则要花费60美元

与传统的电化学电池相比,超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电,,超级电容器没有“记忆”。但是,一般的超级电容器也有其弱点,就是能量存储率有限,市场上的高端超级电容器每0.4536千克的存储能量只有锂电池的1/25。

EEStor开发的超级电容器,由于钡钛酸盐有足够的纯度,存储能量的能力大大提高。EEStor公司负责人声称,该超级电容器每公斤所存储的能量可达0.28千瓦时,相比之下,每公斤锂电池0.12千瓦时,铅酸电池只有0.032千瓦时,这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领域的可能。好的铅酸电池能充电500~700次,而根据EEStor的声明,新的超级电容器可反复充电100万次以上,也不会出现材料降解问题。而且,由于它不是化学电池,而是一种固体状态的能量储存系统,不会出现锂电池那种过热甚至爆炸的危险,没有安全隐患。

这一发明的意义相当重大,该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输中的位置,也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利用性能,增进了电网的效率和稳定性,满足人们能源安全的需求,减少对石油的依赖。显然,该突破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor公司负责人暗示,他们的技术不仅适用于小型旅客电动车,还可能取代220500瓦的大型汽车


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