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使用超级电容(法拉电容)的动力系统设计

编辑:知奇经贸   时间:2023-03-04   访问量:125

过去的十年,材料和结构技术的发展把法拉电容从一个“不成熟”的后备器件变为了一种非常有效的储能方式。虽然超级电容的储能容量与电池相比非常的小,但它可以非常迅速的充、放电,能在使用期限中传输数万次的大功率脉冲,并且很容易满足产品的设计寿命需求。超级电容能非常迅速的充电和放电,并能在任何储能状态中工作,甚至在完全放电的条件下,且对元件的寿命不会产生任何不良影响。超级电容也的确已经成为动力电子领域面向产品的设计中不可或缺的元件。目前,已有许多厂商认识到超级电容技术优势和高实用性能,并开始生产基于超级电容的各类系统。

 
  工程师们在主要能源设备的设计中基本要满足峰值功率的需求,比如对于一个发动机或电池系统,就需要满足最高负荷下工作,哪怕这种需求仅持续几秒。为了满足最高负荷而不是平均负载设计整个系统,显然会导致成本的增加和效率的降低。这种系统可以将主要能源设备中的能量部分储存为电能,从而改进这类系统的设计,例如使用电池作为二级能量储存设备,并在需要的时候迅速释放这部分能量。这样的高能传输方式为能源系统提供了一个动态的输出能力来满足瞬时峰值功率的需求。但是电池并不能很好的用来频繁的提供瞬时峰值功率;在这方面,超级电容是最好的选择。
 
  法拉电容,也被称为电化学双层电容(EDLC)或supercapacitors。它已诞生约有10年的时间,并首先作为低储能、低功率,但长寿命的备份元件用于放像机(VCR)和闹钟上,并且直到最近发掘其功能之前几乎没有其他的用途。
 
  在过去的十年中,材料和结构技术的发展把超级电容从一个不“成熟”的后备器件变为了一种非常有效的储能方式。超级电容也的确已经成为动力电子领域面向产品的设计中不可或缺的元件。现在,已经有许多厂商认识到超级电容技术优势和高实用性能,并开始生产基于超级电容的各类系统。
 

一、什么是超级电容

 
  依据在一对电极间维持电场的介质电容通常被分为三类,普通电容、电解电容和电化学双层电容。在这三类电容的容量方面,电化学双层电容(超级电容)以绝对的优势高居榜首(最高可达几千法拉)。这是因为超级电容的电场介质是由多孔的活性炭和分子级的电解离子组成。
 
  超级电容结构组成
 
  法拉电容中的活性炭电极的多孔特殊表面的比表面积可以达到2000㎡/g,电荷的间隔距离都在10埃以下。一个拥有良好电解质的超级电容电压值小于3.0V。
 
  由于注入了高电导率的电解液,并拥有高电导系数的电极和离子纤维隔离层,超级电容显示出相当低的串联阻抗。现在,商业化的超级电容的能量密度已经能超过5Wh/Kg,功率密度能达到20kW/kg。
 
  超级电容本质上依据静电型能量储存方式而工作,是纯粹的物理反应,而且完全可逆。超级电容的充电和放电是由电解液中的离子运动而实现,这种能量储存过程与电池技术基于化学反应的过程相比较,没有任何化学键的结合或断开。百万次充、放电循环之后证明超级电容的循环寿命非常好。
 
  比较超级电容储能技术和电池及其他储能技术相对优势的一个好方法是将它们画在Ragone图上,它将能量储存和功率储存对应起来,并主要显示能量密度随功率密度的增加而减小。这是一种把能量储存方式按量定位,并将其归为从牵引拖动到能量缓存等多种用途好方法。


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