超級電容器的發(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)

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

超級電容器 儲能元件 電壓均衡

超級電容器起源于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”。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與污染問題日益嚴(yán)峻,人們越來越重視綠色環(huán)保,而超級電容器作為一種對環(huán)境無污染的綠色能源,越發(fā)得到人們的青睞。超級電容器將傳統(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)用場合中,已成為取代傳統(tǒng)電源的一種新趨勢。

1 超級電容器概述

1.1 超級電容器的儲能原理[1-2]

超級電容器是一種電化學(xué)元件,通過在兩電極間外加電壓,使正電極儲存正電荷,負(fù)電極儲存負(fù)電荷,同時,兩電極間的電解質(zhì)溶液在電場作用下,形成與電極儲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電容器更高的電容量和能量密度?；旌闲统夒娙萜鲃t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。

表1 超級電容、普通電容、充電電池、鉛酸蓄電池的性能比較

1.2 超級電容器的特點(diǎn)

超級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);對環(huán)境幾乎無污染;可靠性好,長期使用免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。超級電容器與傳統(tǒng)電容器、充電電池、鉛酸蓄電池的性能比較如表1所示。

2 超級電容器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[5-8]

超級電容器的工作原理是基于1879年德國的Helmholtz提出的EDLC的電荷儲存機(jī)理,即雙電荷電層模型,而促使超級電容器開始得到人們關(guān)注的原因應(yīng)該歸功于1957年美國的Backer申請的第一項(xiàng)以活性炭作為電極材料的超級電容器的專利。最初的超級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,超級電容器才得到了迅速發(fā)展。

2.1 超級電容器的國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外較早開始研究超級電容器,美國、日本、俄羅斯、韓國在超級電容器的研發(fā)和商業(yè)產(chǎn)業(yè)化方面居于領(lǐng)先地位。美國EESTOR公司開發(fā)的超級電容器采用鋇鈦鹽粉末作絕緣體,每公斤可儲存280瓦時的能量,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的超級電容器。

2.2 超級電容器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在超級電容器領(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。目前國內(nèi)的超級電容器生產(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)了我國第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率電化學(xué)電容器,現(xiàn)在該公司的超級電容器已形成系列產(chǎn)品。錦州富辰公司與國內(nèi)多家知名科研院聯(lián)合,致力于超級電容器系列產(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電容器單體。錦州凱美能源有限公司是國內(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,均為自主研制,擁有自主知識產(chǎn)權(quán),其產(chǎn)品已達(dá)到國外先進(jìn)水平。

3 超級電容器的應(yīng)用[9-11]

超級電容器適用于要求高可靠性及對能量要求不高的場合,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。由于單體超級電容器的電壓較低,通常需要串、并聯(lián)多個超級電容器形成組塊,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。其應(yīng)用原理如圖2所示,其中超級電容器組先整流后再儲能,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合中使用。

3.1 選擇超級電容器的原則

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

維持供電期間所需的能量為:

超級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為超級電容器的額定工作電壓,單位為V;Umin為超級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間,單位是s。

3.2 電壓均衡電路

超級電容器單體電壓較低,通過實(shí)驗(yàn)測得,適當(dāng)提高超級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超級電容器串并聯(lián)組合構(gòu)成儲能模塊的方式,滿足電壓等級和儲能容量的要求。但在制作過程中由于材料、工藝無法達(dá)到完全一致,導(dǎo)致各個超級電容器內(nèi)部參數(shù)存在差異,同時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電容器的過充或過放,使得單體的壽命降低,整個儲能模塊的使用壽命和可靠性也會受到影響。因此對于要求高可靠性的系統(tǒng)來說,實(shí)現(xiàn)超級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,避免模塊中各個超級電容器單元的電壓不均衡,最簡單的方法是在每個超級電容器單體旁并聯(lián)一個電阻,這種方法雖然可以有效控制整個單元的漏電流,但是屬于被動平衡,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,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)計中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇。

4 結(jié)語

超級電容器以其高能量比、高功率比等性能優(yōu)勢,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,超級電容器有著廣闊的市場前景。但是超級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)一步的市場化應(yīng)用。但隨著超級電容器技術(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)計及理論碩士研究生,主要研究方向:現(xiàn)代設(shè)計方法及人工智能。