李佳新(福建經(jīng)貿(mào)學(xué)校,福建泉州 362000)

超級(jí)電容器的發(fā)展及應(yīng)用

李佳新(福建經(jīng)貿(mào)學(xué)校,福建泉州 362000)

超級(jí)電容器作為一種新型的綠色儲(chǔ)能裝置,已在很多場(chǎng)合中得到了廣泛應(yīng)用。本文闡述了超級(jí)電容器的工作原理和特點(diǎn),簡(jiǎn)要介紹了近年來國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀,指出超級(jí)電容器的應(yīng)用原理和選擇原則,介紹了超級(jí)電容器電壓均衡的必要性和方法。

超級(jí)電容器 儲(chǔ)能元件 電壓均衡

超級(jí)電容器起源于20世紀(jì)60年代,是一種介于傳統(tǒng)的物理電容和化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能器件,又稱為“法拉電容”、“黃金電容”、“電化學(xué)電容器”、“雙電層電容器”。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與污染問題日益嚴(yán)峻,人們?cè)絹碓街匾暰G色環(huán)保,而超級(jí)電容器作為一種對(duì)環(huán)境無污染的綠色能源,越發(fā)得到人們的青睞。超級(jí)電容器將傳統(tǒng)電容的大電流快速充放電特性及普通電池的儲(chǔ)能特性結(jié)合起來,具有無可替代的優(yōu)越性,在一些需要高效率、高功率、低能量需求的應(yīng)用場(chǎng)合中,已成為取代傳統(tǒng)電源的一種新趨勢(shì)。

1 超級(jí)電容器概述

1.1 超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理[1-2]

超級(jí)電容器是一種電化學(xué)元件,通過在兩電極間外加電壓,使正電極儲(chǔ)存正電荷,負(fù)電極儲(chǔ)存負(fù)電荷,同時(shí),兩電極間的電解質(zhì)溶液在電場(chǎng)作用下,形成與電極儲(chǔ)存的電荷相反的電荷層,如圖1所示。這種利用雙電層原理實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放的過程是純物理過程,一般采用碳材料作為電極材料。也有借助電極表面和體相中的電活性物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)吸附、脫附或氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實(shí)現(xiàn)充放電,一般采用金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飦碜鳛殡姌O材料。由于法拉第準(zhǔn)電容發(fā)生在電極表面及整個(gè)電極內(nèi)部,故這種電容器可獲得比用雙電層原理制備的超級(jí)電容器更高的電容量和能量密度?；旌闲统?jí)電容器則是結(jié)合了雙電層原理的高穩(wěn)定性和法拉第準(zhǔn)電容原理的高能量密度的特點(diǎn),兩電極分別采用了不同的材料,其中一極采用雙電層原理,另一極采用法拉第準(zhǔn)電容原理,使得比能量和比功率都得到了提升,使用壽命也得到了延長(zhǎng)。

表1 超級(jí)電容、普通電容、充電電池、鉛酸蓄電池的性能比較

1.2 超級(jí)電容器的特點(diǎn)

超級(jí)電容器具有超大的電容量,單體可做到數(shù)千法拉甚至上萬法拉;充電速度快,經(jīng)過10秒～10分鐘的充電即可達(dá)到其額定容量的95%以上;能量轉(zhuǎn)換效率高,內(nèi)阻小,過程損失小,充放電效率可達(dá)到85%～98%;功率密度高,放電電流大,能瞬時(shí)釋放數(shù)百至數(shù)千安培的電流;能正常工作在－40℃～70℃溫度范圍內(nèi);對(duì)環(huán)境幾乎無污染;可靠性好,長(zhǎng)期使用免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。超級(jí)電容器與傳統(tǒng)電容器、充電電池、鉛酸蓄電池的性能比較如表1所示。

2 超級(jí)電容器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[5-8]

超級(jí)電容器的工作原理是基于1879年德國(guó)的Helmholtz提出的EDLC的電荷儲(chǔ)存機(jī)理,即雙電荷電層模型,而促使超級(jí)電容器開始得到人們關(guān)注的原因應(yīng)該歸功于1957年美國(guó)的Backer申請(qǐng)的第一項(xiàng)以活性炭作為電極材料的超級(jí)電容器的專利。最初的超級(jí)電容器由于受到材料和技術(shù)限制,其功率和能量都不盡人意,直到20世紀(jì)90年代,超級(jí)電容器才得到了迅速發(fā)展。

2.1 超級(jí)電容器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外較早開始研究超級(jí)電容器,美國(guó)、日本、俄羅斯、韓國(guó)在超級(jí)電容器的研發(fā)和商業(yè)產(chǎn)業(yè)化方面居于領(lǐng)先地位。美國(guó)EESTOR公司開發(fā)的超級(jí)電容器采用鋇鈦鹽粉末作絕緣體,每公斤可儲(chǔ)存280瓦時(shí)的能量,能量密度是鋰電子電池的兩倍多,成本卻只是其八分之一。Maxwell公司生產(chǎn)的BCAP3000E270的單體電壓為2．7V,電容量為3000F,比能量為5．72Wh/kg,比功率為13800W/kg。日本松下公司研制出電容量為800-2000F,比能量為3-4Wh/kg,比功率為200-400W/kg的超級(jí)電容器,并進(jìn)行了規(guī)?；a(chǎn)。俄羅斯的ESMA公司以碳/氧化鎳作為電極材料,研制出電容量為5000F,比能量為8-10wh/kg,比功率為80-100w/kg的超級(jí)電容器。

2.2 超級(jí)電容器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在超級(jí)電容器領(lǐng)域處于初步發(fā)展階段,其研究與應(yīng)用總體水平落后于世界先進(jìn)水平,但近幾年在這方面取得了較大的進(jìn)展。目前國(guó)內(nèi)的超級(jí)電容器生產(chǎn)以液體雙電層電容器為主。2000年石家莊高達(dá)科技開發(fā)公司成功研發(fā)了我國(guó)第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率電化學(xué)電容器,現(xiàn)在該公司的超級(jí)電容器已形成系列產(chǎn)品。錦州富辰公司與國(guó)內(nèi)多家知名科研院聯(lián)合,致力于超級(jí)電容器系列產(chǎn)品的研制、開發(fā)及應(yīng)用,具備年產(chǎn)2000萬只超級(jí)電容器的能力。北京合眾匯能科技有限公司可提供容量從0．06F到10000F的超級(jí)電容器,并可根據(jù)需求供應(yīng)高達(dá)10萬法拉的特制超級(jí)電容器單體。錦州凱美能源有限公司是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大的廠商之一,產(chǎn)品分為十七種類型,共四百余種規(guī)格型號(hào),均為自主研制,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),其產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

3 超級(jí)電容器的應(yīng)用[9-11]

超級(jí)電容器適用于要求高可靠性及對(duì)能量要求不高的場(chǎng)合,可作為提供脈沖大功率的物理二次電源。在應(yīng)用中,可以直接單獨(dú)使用,提供短時(shí)供電,或與其他供電電源配合作為電源,提高能源利用率。由于單體超級(jí)電容器的電壓較低,通常需要串、并聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容器形成組塊,并在組塊和負(fù)載之間連接DC/DC變換器或逆變器以維持不同負(fù)載的電壓等級(jí)。其應(yīng)用原理如圖2所示,其中超級(jí)電容器組先整流后再儲(chǔ)能,而輸出可通過逆變器或直接用DC/DC變換器引出。DC/DC變換器可改變超級(jí)電容器組的輸出電壓并將其穩(wěn)定下來,提高能量的利用率。逆變器的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)變成交流電壓,以便在需要交流電的場(chǎng)合中使用。

3.1 選擇超級(jí)電容器的原則

選擇超級(jí)電容的根據(jù)是:維持供電期間所需的能量應(yīng)小于等于超級(jí)電容器從額定工作電壓Uwv降到最低工作電壓Umin時(shí)所減少的能量。

維持供電期間所需的能量為:

超級(jí)電容器減少的能量為:

因此,輸出電壓維持在Umin以上所需的最低容量C為:

式中,C為超級(jí)電容器的容量,單位為F;IL為維持供電期間的平均負(fù)載電流,單位為A;UP為負(fù)載的額定工作電壓,單位為V;UWV為超級(jí)電容器的額定工作電壓,單位為V;Umin為超級(jí)電容器能有效工作的最低電壓,單位為V;t為要求的維持供電時(shí)間,單位是s。

3.2 電壓均衡電路

超級(jí)電容器單體電壓較低,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得,適當(dāng)提高超級(jí)電容器的輸出電壓可提高能量的利用率,因此一般采用將多個(gè)超級(jí)電容器串并聯(lián)組合構(gòu)成儲(chǔ)能模塊的方式,滿足電壓等級(jí)和儲(chǔ)能容量的要求。但在制作過程中由于材料、工藝無法達(dá)到完全一致,導(dǎo)致各個(gè)超級(jí)電容器內(nèi)部參數(shù)存在差異,同時(shí)在工作過程中容易因?yàn)榄h(huán)境和電壓的不一致造成超級(jí)電容器的過充或過放,使得單體的壽命降低,整個(gè)儲(chǔ)能模塊的使用壽命和可靠性也會(huì)受到影響。因此對(duì)于要求高可靠性的系統(tǒng)來說,實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的電壓均衡是非常必要的。

為了補(bǔ)償漏電流的變化,避免模塊中各個(gè)超級(jí)電容器單元的電壓不均衡,最簡(jiǎn)單的方法是在每個(gè)超級(jí)電容器單體旁并聯(lián)一個(gè)電阻,這種方法雖然可以有效控制整個(gè)單元的漏電流,但是屬于被動(dòng)平衡,嚴(yán)重?fù)p耗系統(tǒng)的能量,使得工作效率低下。目前常用的電壓均衡技術(shù)主要有穩(wěn)壓管法、開關(guān)電阻法、開關(guān)電容法、電感法、DC/DC變換器法(buck/boost變化器法和cuk變換器法)、帶隔離變壓器的DC/DC變化器法(正/反激式變換器法)。以上這些電壓均衡方法各有優(yōu)缺點(diǎn),如穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法目前應(yīng)用較多,其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,但是只在充電過程中實(shí)現(xiàn)了電壓均衡,這種方法損耗嚴(yán)重,可靠性差;開關(guān)電容法和電感法存在無效的能量流動(dòng),電壓均衡速度慢;DC/DC變換器法雖然能量損耗小,電壓均衡速度也快,對(duì)充放電過程都能實(shí)現(xiàn)電壓均衡,但是所需的電子元器件多,控制復(fù)雜,成本高,在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇。

4 結(jié)語

超級(jí)電容器以其高能量比、高功率比等性能優(yōu)勢(shì),具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在小型設(shè)備上,如照相機(jī)、音頻設(shè)備等。在大型設(shè)備方面,超級(jí)電容器主要用在能源采集和交通運(yùn)輸領(lǐng)域,在以“節(jié)能減排”為主題的今天,超級(jí)電容器有著廣闊的市場(chǎng)前景。但是超級(jí)電容器也存在著一些缺陷,比如成本較高;在同等電量情況下,其體積比標(biāo)準(zhǔn)電池大等,這限制了其進(jìn)一步的市場(chǎng)化應(yīng)用。但隨著超級(jí)電容器技術(shù)的發(fā)展和大批量生產(chǎn),這些問題都將得到根本上的解決,其將成為新一代的電源發(fā)展方向。

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李佳新(1985—),福建晉江人,福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及理論碩士研究生,主要研究方向:現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及人工智能。