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使用超级电容(法拉电容)的动力系统设计
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  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。
 
  Ragone图
 
  二、超级电容特性
 
  超级电容的特性和电池相比有很多不同。主要的区别在下面的表中列出。电池比相同尺寸的超级电容储存更多的电能,但是在很多功率决定尺寸的储能设备的应用中,超级电容或许是最好的解决方案。
 
  1.超级电容可以传送频繁脉冲的能量而没有任何有害效应,而许多电池都会在频繁的大功率脉冲工况下减少寿命。
 
  2.超级电容能在相当短的时间内完成充电,而快速充电常常会损坏电池。
 
  3.超级电容的循环周期是数万次的,而电池的寿命通常是几百次到1000、2000次。
 
  4.基于低内阻的超级电容比电池效率更高;在实际应用中超级电容84%~95%的转换效率比多数电池低于70%的平均效率高出许多。
 
  5.超级电容能在其许用电压范围中的任何电压值下充电,并且能够完全放电。这就允许在总线电压控制算法中更自由的设计。而电池过放电也是会损坏的。
 
  6.计算超级电容中的储能值只需要知道电压和电容值。而超级电容的电容值可以通过测量电流和电压的变化值实时的计算出。而正确的得到电池的储能值需要经过多重复杂的计算,电池的容量通常也是未知的,而且实时地测算也是很困难的。
 
  7.超级电容有更宽的工作温度范围,甚至可以在低至-40℃的温度下正常工作。而多数电池在温度低至-10℃时就不能工作。
 
  8.超级电容通过极化高比表面积电极中的电解质工作,电解质、电极和隔离层材料的特性决定了超级电容的电容量性能。高比表面积的电极和小的带电离子决定了高的电容量;而高效的电解质、隔离层和材料,以及工艺设计决定了低的阻抗。
 
  因为超级电容的能量储存不依赖化学反应,所以它和电池有着根本上的区别。
 
  三、市场前景及应用
 
  在设计一个系统时很自然想到的是形状,系统主要的能源储备应当能满足平均耐久要求和相对的瞬时峰值功率要求。然而为了满足这样的峰值功率是不经济且不实用的。系统通过能够储备的电能得到显著改善,当需要高功率时从主要能量源获取然后在控制下发射高压脉冲传输。此时,超级电容为短时所需功率和额定功率不匹配时提供一个简单,可靠的缓冲。这个功能减小了系统的形状和成本并改善了系统的性能和可靠性。
 
  实例应用
 
  超级电容有两个主要用途。第一个是在主能源不足时作为临时补充能源和额外的短时功能能源。这里当超级电容作为主要能量供给装置时,超级电容已经成为相对于电池的另一个选择,同时还有当主动力失效时的后备能源作用。
 
  超级电容的第二个作用是峰值供能。这种情况下超级电容不仅可以单独在需要高功率传送的系统使用,而且还能在一些不仅需要持续功率放电功能也需要高载荷脉冲功率的系统中作为电池的后续能源使用。这里超级电容起到了高功率传输时对电池的缓解作用,从而增加了电池的使用寿命同时缩小了电池的尺寸。
 
  尽管现在电池作为主要能量源和能量存储/峰值功率传输设备得到普遍应用,但是超级电容正成为能量存储和高功率传输设备而被逐渐采用。
 
  事实上,任何应用场合都需要电能的存储和快速的充放电功能这就是超级电容的市场潜力。
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