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          使用超級電容(法拉電容)的動(dòng)力系統設計
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            過(guò)去的十年,材料和結構技術(shù)的發(fā)展把法拉電容從一個(gè)“不成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲能方式。雖然超級電容的儲能容量與電池相比非常的小,但它可以非常迅速的充、放電,能在使用期限中傳輸數萬(wàn)次的大功率脈沖,并且很容易滿(mǎn)足產(chǎn)品的設計壽命需求。超級電容能非常迅速的充電和放電,并能在任何儲能狀態(tài)中工作,甚至在完全放電的條件下,且對元件的壽命不會(huì )產(chǎn)生任何不良影響。超級電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設計中不可或缺的元件。目前,已有許多廠(chǎng)商認識到超級電容技術(shù)優(yōu)勢和高實(shí)用性能,并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級電容的各類(lèi)系統。
           
            工程師們在主要能源設備的設計中基本要滿(mǎn)足峰值功率的需求,比如對于一個(gè)發(fā)動(dòng)機或電池系統,就需要滿(mǎn)足最高負荷下工作,哪怕這種需求僅持續幾秒。為了滿(mǎn)足最高負荷而不是平均負載設計整個(gè)系統,顯然會(huì )導致成本的增加和效率的降低。這種系統可以將主要能源設備中的能量部分儲存為電能,從而改進(jìn)這類(lèi)系統的設計,例如使用電池作為二級能量?jì)Υ嬖O備,并在需要的時(shí)候迅速釋放這部分能量。這樣的高能傳輸方式為能源系統提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)的輸出能力來(lái)滿(mǎn)足瞬時(shí)峰值功率的需求。但是電池并不能很好的用來(lái)頻繁的提供瞬時(shí)峰值功率;在這方面,超級電容是最好的選擇。
           
            法拉電容,也被稱(chēng)為電化學(xué)雙層電容(EDLC)或supercapacitors。它已誕生約有10年的時(shí)間,并首先作為低儲能、低功率,但長(cháng)壽命的備份元件用于放像機(VCR)和鬧鐘上,并且直到最近發(fā)掘其功能之前幾乎沒(méi)有其他的用途。
           
            在過(guò)去的十年中,材料和結構技術(shù)的發(fā)展把超級電容從一個(gè)不“成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲能方式。超級電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設計中不可或缺的元件?,F在,已經(jīng)有許多廠(chǎng)商認識到超級電容技術(shù)優(yōu)勢和高實(shí)用性能,并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級電容的各類(lèi)系統。
           
            一、什么是超級電容
           
            依據在一對電極間維持電場(chǎng)的介質(zhì)電容通常被分為三類(lèi),普通電容、電解電容和電化學(xué)雙層電容。在這三類(lèi)電容的容量方面,電化學(xué)雙層電容(超級電容)以絕對的優(yōu)勢高居榜首(最高可達幾千法拉)。這是因為超級電容的電場(chǎng)介質(zhì)是由多孔的活性炭和分子級的電解離子組成。
           
            超級電容結構組成
           
            法拉電容中的活性炭電極的多孔特殊表面的比表面積可以達到2000㎡/g,電荷的間隔距離都在10埃以下。一個(gè)擁有良好電解質(zhì)的超級電容電壓值小于3.0V。
           
            由于注入了高電導率的電解液,并擁有高電導系數的電極和離子纖維隔離層,超級電容顯示出相當低的串聯(lián)阻抗?,F在,商業(yè)化的超級電容的能量密度已經(jīng)能超過(guò)5Wh/Kg,功率密度能達到20kW/kg。
           
            超級電容本質(zhì)上依據靜電型能量?jì)Υ娣绞蕉ぷ?,是純粹的物理反應,而且完全可逆。超級電容的充電和放電是由電解液中的離子運動(dòng)而實(shí)現,這種能量?jì)Υ孢^(guò)程與電池技術(shù)基于化學(xué)反應的過(guò)程相比較,沒(méi)有任何化學(xué)鍵的結合或斷開(kāi)。百萬(wàn)次充、放電循環(huán)之后證明超級電容的循環(huán)壽命非常好。
           
            比較超級電容儲能技術(shù)和電池及其他儲能技術(shù)相對優(yōu)勢的一個(gè)好方法是將它們畫(huà)在Ragone圖上,它將能量?jì)Υ婧凸β蕛Υ鎸饋?lái),并主要顯示能量密度隨功率密度的增加而減小。這是一種把能量?jì)Υ娣绞桨戳慷ㄎ?,并將其歸為從牽引拖動(dòng)到能量緩存等多種用途好方法。
           
            Ragone圖
           
            二、超級電容特性
           
            超級電容的特性和電池相比有很多不同。主要的區別在下面的表中列出。電池比相同尺寸的超級電容儲存更多的電能,但是在很多功率決定尺寸的儲能設備的應用中,超級電容或許是最好的解決方案。
           
            1.超級電容可以傳送頻繁脈沖的能量而沒(méi)有任何有害效應,而許多電池都會(huì )在頻繁的大功率脈沖工況下減少壽命。
           
            2.超級電容能在相當短的時(shí)間內完成充電,而快速充電常常會(huì )損壞電池。
           
            3.超級電容的循環(huán)周期是數萬(wàn)次的,而電池的壽命通常是幾百次到1000、2000次。
           
            4.基于低內阻的超級電容比電池效率更高;在實(shí)際應用中超級電容84%~95%的轉換效率比多數電池低于70%的平均效率高出許多。
           
            5.超級電容能在其許用電壓范圍中的任何電壓值下充電,并且能夠完全放電。這就允許在總線(xiàn)電壓控制算法中更自由的設計。而電池過(guò)放電也是會(huì )損壞的。
           
            6.計算超級電容中的儲能值只需要知道電壓和電容值。而超級電容的電容值可以通過(guò)測量電流和電壓的變化值實(shí)時(shí)的計算出。而正確的得到電池的儲能值需要經(jīng)過(guò)多重復雜的計算,電池的容量通常也是未知的,而且實(shí)時(shí)地測算也是很困難的。
           
            7.超級電容有更寬的工作溫度范圍,甚至可以在低至-40℃的溫度下正常工作。而多數電池在溫度低至-10℃時(shí)就不能工作。
           
            8.超級電容通過(guò)極化高比表面積電極中的電解質(zhì)工作,電解質(zhì)、電極和隔離層材料的特性決定了超級電容的電容量性能。高比表面積的電極和小的帶電離子決定了高的電容量;而高效的電解質(zhì)、隔離層和材料,以及工藝設計決定了低的阻抗。
           
            因為超級電容的能量?jì)Υ娌灰蕾?lài)化學(xué)反應,所以它和電池有著(zhù)根本上的區別。
           
            三、市場(chǎng)前景及應用
           
            在設計一個(gè)系統時(shí)很自然想到的是形狀,系統主要的能源儲備應當能滿(mǎn)足平均耐久要求和相對的瞬時(shí)峰值功率要求。然而為了滿(mǎn)足這樣的峰值功率是不經(jīng)濟且不實(shí)用的。系統通過(guò)能夠儲備的電能得到顯著(zhù)改善,當需要高功率時(shí)從主要能量源獲取然后在控制下發(fā)射高壓脈沖傳輸。此時(shí),超級電容為短時(shí)所需功率和額定功率不匹配時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)單,可靠的緩沖。這個(gè)功能減小了系統的形狀和成本并改善了系統的性能和可靠性。
           
            實(shí)例應用
           
            超級電容有兩個(gè)主要用途。第一個(gè)是在主能源不足時(shí)作為臨時(shí)補充能源和額外的短時(shí)功能能源。這里當超級電容作為主要能量供給裝置時(shí),超級電容已經(jīng)成為相對于電池的另一個(gè)選擇,同時(shí)還有當主動(dòng)力失效時(shí)的后備能源作用。
           
            超級電容的第二個(gè)作用是峰值供能。這種情況下超級電容不僅可以單獨在需要高功率傳送的系統使用,而且還能在一些不僅需要持續功率放電功能也需要高載荷脈沖功率的系統中作為電池的后續能源使用。這里超級電容起到了高功率傳輸時(shí)對電池的緩解作用,從而增加了電池的使用壽命同時(shí)縮小了電池的尺寸。
           
            盡管現在電池作為主要能量源和能量存儲/峰值功率傳輸設備得到普遍應用,但是超級電容正成為能量存儲和高功率傳輸設備而被逐漸采用。
           
            事實(shí)上,任何應用場(chǎng)合都需要電能的存儲和快速的充放電功能這就是超級電容的市場(chǎng)潛力。
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