超级电容器的发展及应用

李佳新(福建经贸学校,福建泉州 362000)

超级电容器的发展及应用

李佳新(福建经贸学校,福建泉州 362000)

超级电容器作为一种新型的绿色储能装置,已在很多场合中得到了广泛应用。本文阐述了超级电容器的工作原理和特点,简要介绍了近年来国内外的发展现状,指出超级电容器的应用原理和选择原则,介绍了超级电容器电压均衡的必要性和方法。

超级电容器 储能元件 电压均衡

超级电容器起源于20世纪60年代,是一种介于传统的物理电容和化学电池之间的新型储能器件,又称为“法拉电容”、“黄金电容”、“电化学电容器”、“双电层电容器”。随着社会经济的发展与污染问题日益严峻,人们越来越重视绿色环保,而超级电容器作为一种对环境无污染的绿色能源,越发得到人们的青睐。超级电容器将传统电容的大电流快速充放电特性及普通电池的储能特性结合起来,具有无可替代的优越性,在一些需要高效率、高功率、低能量需求的应用场合中,已成为取代传统电源的一种新趋势。

1 超级电容器概述

1.1 超级电容器的储能原理[1-2]

超级电容器是一种电化学元件,通过在两电极间外加电压,使正电极储存正电荷,负电极储存负电荷,同时,两电极间的电解质溶液在电场作用下,形成与电极储存的电荷相反的电荷层,如图1所示。这种利用双电层原理实现能量的储存和释放的过程是纯物理过程,一般采用碳材料作为电极材料。也有借助电极表面和体相中的电活性物质发生的化学吸附、脱附或氧化还原反应产生的法拉第“准电容”来实现充放电,一般采用金属氧化物或导电聚合物来作为电极材料。由于法拉第准电容发生在电极表面及整个电极内部,故这种电容器可获得比用双电层原理制备的超级电容器更高的电容量和能量密度。混合型超级电容器则是结合了双电层原理的高稳定性和法拉第准电容原理的高能量密度的特点,两电极分别采用了不同的材料,其中一极采用双电层原理,另一极采用法拉第准电容原理,使得比能量和比功率都得到了提升,使用寿命也得到了延长。

表1 超级电容、普通电容、充电电池、铅酸蓄电池的性能比较

1.2 超级电容器的特点

超级电容器具有超大的电容量,单体可做到数千法拉甚至上万法拉;充电速度快,经过10秒～10分钟的充电即可达到其额定容量的95%以上;能量转换效率高,内阻小,过程损失小,充放电效率可达到85%～98%;功率密度高,放电电流大,能瞬时释放数百至数千安培的电流;能正常工作在－40℃～70℃温度范围内;对环境几乎无污染;可靠性好,长期使用免维护等优点[3-4]。超级电容器与传统电容器、充电电池、铅酸蓄电池的性能比较如表1所示。

2 超级电容器的国内外发展现状[5-8]

超级电容器的工作原理是基于1879年德国的Helmholtz提出的EDLC的电荷储存机理,即双电荷电层模型,而促使超级电容器开始得到人们关注的原因应该归功于1957年美国的Backer申请的第一项以活性炭作为电极材料的超级电容器的专利。最初的超级电容器由于受到材料和技术限制,其功率和能量都不尽人意,直到20世纪90年代,超级电容器才得到了迅速发展。

2.1 超级电容器的国外发展现状

国外较早开始研究超级电容器,美国、日本、俄罗斯、韩国在超级电容器的研发和商业产业化方面居于领先地位。美国EESTOR公司开发的超级电容器采用钡钛盐粉末作绝缘体,每公斤可储存280瓦时的能量,能量密度是锂电子电池的两倍多,成本却只是其八分之一。Maxwell公司生产的BCAP3000E270的单体电压为2．7V,电容量为3000F,比能量为5．72Wh/kg,比功率为13800W/kg。日本松下公司研制出电容量为800-2000F,比能量为3-4Wh/kg,比功率为200-400W/kg的超级电容器,并进行了规模化生产。俄罗斯的ESMA公司以碳/氧化镍作为电极材料,研制出电容量为5000F,比能量为8-10wh/kg,比功率为80-100w/kg的超级电容器。

2.2 超级电容器的国内发展现状

我国在超级电容器领域处于初步发展阶段,其研究与应用总体水平落后于世界先进水平,但近几年在这方面取得了较大的进展。目前国内的超级电容器生产以液体双电层电容器为主。2000年石家庄高达科技开发公司成功研发了我国第一个具有自主知识产权的大功率电化学电容器,现在该公司的超级电容器已形成系列产品。锦州富辰公司与国内多家知名科研院联合,致力于超级电容器系列产品的研制、开发及应用,具备年产2000万只超级电容器的能力。北京合众汇能科技有限公司可提供容量从0．06F到10000F的超级电容器,并可根据需求供应高达10万法拉的特制超级电容器单体。锦州凯美能源有限公司是国内生产规模最大的厂商之一,产品分为十七种类型,共四百余种规格型号,均为自主研制,拥有自主知识产权,其产品已达到国外先进水平。

3 超级电容器的应用[9-11]

超级电容器适用于要求高可靠性及对能量要求不高的场合,可作为提供脉冲大功率的物理二次电源。在应用中,可以直接单独使用,提供短时供电,或与其他供电电源配合作为电源,提高能源利用率。由于单体超级电容器的电压较低,通常需要串、并联多个超级电容器形成组块,并在组块和负载之间连接DC/DC变换器或逆变器以维持不同负载的电压等级。其应用原理如图2所示,其中超级电容器组先整流后再储能,而输出可通过逆变器或直接用DC/DC变换器引出。DC/DC变换器可改变超级电容器组的输出电压并将其稳定下来,提高能量的利用率。逆变器的作用是将直流电压转变成交流电压,以便在需要交流电的场合中使用。

3.1 选择超级电容器的原则

选择超级电容的根据是:维持供电期间所需的能量应小于等于超级电容器从额定工作电压Uwv降到最低工作电压Umin时所减少的能量。

维持供电期间所需的能量为:

超级电容器减少的能量为:

因此,输出电压维持在Umin以上所需的最低容量C为:

式中,C为超级电容器的容量,单位为F;IL为维持供电期间的平均负载电流,单位为A;UP为负载的额定工作电压,单位为V;UWV为超级电容器的额定工作电压,单位为V;Umin为超级电容器能有效工作的最低电压,单位为V;t为要求的维持供电时间,单位是s。

3.2 电压均衡电路

超级电容器单体电压较低,通过实验测得,适当提高超级电容器的输出电压可提高能量的利用率,因此一般采用将多个超级电容器串并联组合构成储能模块的方式,满足电压等级和储能容量的要求。但在制作过程中由于材料、工艺无法达到完全一致,导致各个超级电容器内部参数存在差异,同时在工作过程中容易因为环境和电压的不一致造成超级电容器的过充或过放,使得单体的寿命降低,整个储能模块的使用寿命和可靠性也会受到影响。因此对于要求高可靠性的系统来说,实现超级电容器的电压均衡是非常必要的。

为了补偿漏电流的变化,避免模块中各个超级电容器单元的电压不均衡,最简单的方法是在每个超级电容器单体旁并联一个电阻,这种方法虽然可以有效控制整个单元的漏电流,但是属于被动平衡,严重损耗系统的能量,使得工作效率低下。目前常用的电压均衡技术主要有稳压管法、开关电阻法、开关电容法、电感法、DC/DC变换器法(buck/boost变化器法和cuk变换器法)、带隔离变压器的DC/DC变化器法(正/反激式变换器法)。以上这些电压均衡方法各有优缺点,如稳压管法和开关电阻法目前应用较多,其电路结构简单,成本较低,但是只在充电过程中实现了电压均衡,这种方法损耗严重,可靠性差;开关电容法和电感法存在无效的能量流动,电压均衡速度慢;DC/DC变换器法虽然能量损耗小,电压均衡速度也快,对充放电过程都能实现电压均衡,但是所需的电子元器件多,控制复杂,成本高,在具体设计中应根据实际需要选择。

4 结语

超级电容器以其高能量比、高功率比等性能优势,具有广泛的应用领域,特别是在小型设备上,如照相机、音频设备等。在大型设备方面,超级电容器主要用在能源采集和交通运输领域,在以“节能减排”为主题的今天,超级电容器有着广阔的市场前景。但是超级电容器也存在着一些缺陷,比如成本较高;在同等电量情况下,其体积比标准电池大等,这限制了其进一步的市场化应用。但随着超级电容器技术的发展和大批量生产,这些问题都将得到根本上的解决,其将成为新一代的电源发展方向。

[1]毛兴武,张传敬.一种新型储能元件——超级电容器[J].电子世界,2008,(5):9-10．

[6]冷超,江启人,傅坚.超级电容器储能的应用[J].上海电力,2008,(1):79-82．

[3]李荐,钟晖,钟海云,等.超级电容器应用设计[J].电源技术,2004,28(6):388-391．

[4]王然,苗小丽.大功率超级电容器的发展与应用[J].电池工业,2008,13(3):191-194．

[5]钟海云,李荐,戴艳阳,等.新型能源器件-超级电容器研究发展最新动态[J].电源技术,2001,25(5).

[6]程立文,汪继强,谭玲生.超级电容器的技术与应用市场发展简评[J].电源技术,2007,31(11):921-925．

[7]胡毅,陈轩怒,杜砚,等.超级电容器的应用与发展[J].电力设备,2008,9(1):19-22．

[8]刘龙江,白志峰,曹秉刚.一种电动汽车用的超级电容控制器[J].电子元器件应用,2003,5(3):8-10．

[9]张慧研,齐智平,韦统振.超级电容器储能直流变化器的设计[J].电气应用,2006,25(12):97-100．

[10]王国华,王鸿麟,羊彦,等.便携电子设备电源管理技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004:355-369．

[11]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2006:58-60．

李佳新(1985—),福建晋江人,福建农林大学机电工程学院机械设计及理论硕士研究生,主要研究方向:现代设计方法及人工智能。