超級電容直流儲能系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 前言1.1 課題背景1.1.1 超級電容直流儲能系統(tǒng)的發(fā)展概況由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內(nèi)燃機尾氣排放對環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重（尤其是在大、中城市），人們都在研究替代內(nèi)燃機的新型能源裝置。已經(jīng)進(jìn)行混合動力、燃料電池、化學(xué)電池產(chǎn)品及應(yīng)用的研究開發(fā)，取得了一定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學(xué)電池污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高昂等致命弱點，一直沒有很好的解決辦法。而超級電容器以其優(yōu)異的特性揚長避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車輛的牽引電源和啟動能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。正因為如此，世界各國（特別是西方發(fā)達(dá)國家）

2、都不遺余力地對超級電容器進(jìn)行研究與開發(fā)。其中美國、日本和俄羅斯等國家不僅在研發(fā)生產(chǎn)上走在前面，而且還建立了專門地 國家管理機構(gòu)（如：美國的USABC、日本的SUN、俄羅斯的REVA等），制定國家發(fā)展計劃，由國家投入巨資和人力，積極推進(jìn)。就超級電容器技術(shù)水平而言，目前俄羅斯走在世界前面，其產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，并被第17屆國際電動車年會（EVS17）評為最先進(jìn)產(chǎn)品，日本、德國、英國、法國、澳大利亞等國家也在急起直追，目前各國推廣應(yīng)用超級電容器的領(lǐng)域已相當(dāng)廣泛。在我國推廣使用超級電容器，能夠減少石油消耗，減輕對石油進(jìn)口的依賴，有利于國家石油安全；有效地解決城市尾氣污染和鉛酸電池污染問題；有

3、利于解決戰(zhàn)車的低溫啟動問題。目前，國內(nèi)主要有10余家企業(yè)在進(jìn)行超級電容器的研發(fā)。 1.2 超級電容在國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外超級電容的生產(chǎn)及發(fā)展?fàn)顩r目前,在超級電容產(chǎn)業(yè)化方面，美國、日本、俄羅斯處于領(lǐng)先地位，幾乎占據(jù)了整個超級電容市場。這些國家的超級電容產(chǎn)品在功率、容量、價格等方面各有自己的特點與優(yōu)勢。1.2.2 國內(nèi)超級電容的研究現(xiàn)狀1.2. 3 超級電容的應(yīng)用研究現(xiàn)狀1.2.3.1 超級電容做混合型電動機車的啟動或加速用輔助電源 目前，大部分內(nèi)燃機車、混合動力汽車、電動汽車、車輛低溫啟動、軌道車輛能量回收、航天航空、電動叉車、起重機1.2.3.2 超級電容是方便可靠的儲能設(shè)備

4、 超級電容放電速度快、體積小、重量輕，可以為眾多電子產(chǎn)品和存儲器提供電源或后備電源，同時又可以提供大功率的脈沖電流，可以滿足通訊設(shè)備對電源的要求。手電筒、直流屏儲能系統(tǒng)、應(yīng)急照明燈儲能系統(tǒng)1.2.3.3 超級電容在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 超級電容在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下兩個方面：(1)提高供電質(zhì)量 在電力變配電所系統(tǒng)中，變配電設(shè)備主要是由直流電源裝置直流屏來提供直流電源的。(2)UPS系統(tǒng)和應(yīng)急電源 為了解決工廠車間因為停電而帶來的經(jīng)濟(jì)損失，通常的儲能設(shè)備是用UPS系統(tǒng)。1.3.3.4 超級電容在軍用領(lǐng)域有重要用途 衛(wèi)星等空間飛行器的電源大多是:(1)調(diào)節(jié)飛行器配電系統(tǒng)的電壓 電動飛行器配電系統(tǒng)

5、直流線電壓是270V，它是由一個400Hz的交流電整流得到的，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓波動范圍是250V280V。(2)提供軍用重型車的動力 美國軍方對超級電容用于重型卡車、裝甲運兵車以及坦克很感興趣1。(3)提供激光設(shè)備的電源 激光探測器和激光武器需要大功率脈沖電源，超級電容1.3.4 超級電容在應(yīng)用中需要解決的問題(1)超級電容放電時端電壓的衰減問題 當(dāng)超級電容作為直流電源輸出給負(fù)載時，由于電容的電荷減少，所以其電壓也在下降。(2)超級電容器串并聯(lián)模組的體積優(yōu)化組合 單體超級電容的耐壓比較小，在高壓應(yīng)用中需要許多電容的串聯(lián)，但是多個電容串聯(lián)的同時等效串聯(lián)內(nèi)阻也要增大，所以(3)超級電容串聯(lián)均壓

6、和過壓保護(hù)問題 由于單體電容器的容量有差異，所以串聯(lián)使用時電壓分配不平衡。解決這個問題最簡單的方法是(4)與蓄電池組合使用的計算方法 一般來說超級電容實際電參數(shù)模型的建立第二章：超級電器2.1超級電容器原理：又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學(xué)電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在

7、極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。 超級電容器是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負(fù)離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密

8、的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。 雙電層電容器與鋁電解電容相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。2.2超級電容的工作原理超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，與普通電容器一樣，極板的

9、正電極存儲正電荷，負(fù)極板存儲負(fù)電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容非常大。當(dāng)兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少。由此可以看出：超級電容器的充放電過程始終是

10、物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。2.3超級電容的技術(shù)原理超級電容器屬于雙電層電容器，是世界上容量最大的雙層電容器之一。其工作原理與其它種類的雙電層電容一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)來獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容的儲電原理是電荷在兩塊極板上被介質(zhì)隔離，兩塊極板之間為真空或一層介電物質(zhì)所隔離。超級電容結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，電容值為？。其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，所儲存的能量為E=0.5C(OV)平方圖1 超級電容結(jié)構(gòu)原理圖（看網(wǎng)頁）2.2超級電容器的特點和優(yōu)勢表1 超級電容的特點體積小、容量大、電容量比同體積電解電容容量大3040倍

11、，容量范圍：0.1F1000F；.充、放電電路簡單，無需蓄電池那樣的充電電路，陣陣免維護(hù)；充、放電能力強，且充電速度快，10秒內(nèi)達(dá)到額定容量的95%；失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；超長壽命，可長達(dá)40萬小時以上；單體電壓類型：2.5V2.7V;表2 與傳統(tǒng)電容比較 電容是以將電荷分隔開來的方式儲存能量的，儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小，電容越大；傳統(tǒng)電容是從平板2.3超級電容的特性2.3.1 工作特性超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。 傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積，為了獲得較大的容量，導(dǎo)體材料卷制得很長，有時用特殊的

12、組織結(jié)構(gòu)來增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板，一般為塑料薄膜、紙等，這些材料通常要求盡可能的薄。 超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離（<10 &Aring;）和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。 2.3.2 技術(shù)特性超級電容器的技術(shù)特性1. 充電速度快，充電 10 秒 10 分鐘可達(dá)到其額定

13、容量的 95 %以上； 超級電容器的技術(shù)特性2. 循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá) 150 萬次； 超級電容器的技術(shù)特性3. 能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率 90% ； 超級電容器的技術(shù)特性4. 功率密度高，可達(dá) 300W/KG5000W/KG ，相當(dāng)于電池的 510 倍； 超級電容器的技術(shù)特性5. 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源； 超級電容器的技術(shù)特性6. 安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)； 超級電容器的技術(shù)特性7. 超低溫特性好，可工作于攝氏零下 30 的環(huán)境中； 超級電容器的技術(shù)特性8. 檢測方便，剩余電量可直接讀出。2.

14、4 超級電容的主要性能參數(shù)超級電容的主要性能參數(shù)決定于電容器電極、電解液的材質(zhì)和制造工藝。超級電容的性能參數(shù)主要有：電容容量：超級電容能夠存儲電荷的最大容量。等效串聯(lián)內(nèi)阻ESR（Equivalent Series Resistance）：當(dāng)超級電容模擬成電阻、電容、電感的等效模擬電路時，其中串聯(lián)部分的電阻就是等效串聯(lián)內(nèi)阻。理想存儲能量：電容器存儲能量的理想值。對于一個最簡單的電化學(xué)電容器，其理想存儲能量可以通過式(21)來計算。E= (2-1)式中 電容器的容量；電容器的工作電壓最大輸出功率：當(dāng)為電容器外接一個合適的負(fù)載時，其可以達(dá)到的最大輸出功率，計算公式為式（22）所示。P= (2-2)式

15、中 電容器的初始電壓；ESR電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻2.5超級電容等效串聯(lián)內(nèi)阻（ESR）的測量2.5.1超級電容的等效模型超級電容的等效模型如下圖2-1所示。圖2-1 超級電容的等效模型2.5.2測量超級電容ESR的方法2.5.2.1利用電壓躍變計算ESR 由于電容ESR的影響，電容在充、放電(1)放電電壓躍變法 這種方法的原理圖如圖2-2所示。圖2-2 中，輸出端子a 接至圖2-2 測量ESR的實驗電路 (2)充電電壓躍變法 此方法的實驗原理如圖2-3所示。RC恒壓電源函數(shù)記錄儀R1圖2-3 測量ESR的實驗電路由公式(2-5)計算出等效串聯(lián)電阻ESR20。 (2-5)式中 U0開始充電瞬間電容

16、器兩端電壓，該電壓可由函數(shù)記錄儀記錄的充電曲線得到2.52.2利用恒流充電計算ESR 利用恒流充電計算ESR的方法按照特點2.5.2.3時間常數(shù)法計算ESR 此方法的實驗原理如圖2-6所示RR0C0UR1K圖2-6 測量ESR的實驗電路2.5.2.4基于一階濾波器的ESR計算方法用超級電容和電阻組成一階濾波器電路如圖2-7所示，仿真電路原理圖如圖2-8所示。n5 圖2-7 一階濾波器的等效電路 圖2-8 ESR仿真原理圖 2.6 超級電容放電實驗和漏電流的估算2.6.1實驗過程及結(jié)果分析用一個+5V直流電壓源對600F/2.7V，300F/2.7V、50F/2.7V的三個超級行充電，可以得到6

17、00F、50F、300F超級電容的等效并聯(lián)電阻分別如表2-3、表2-4、表2-5所示。表2-3 600F的電容不同放電時段的等效并聯(lián)電阻Table 2-3 EPR of 600F supercapacitor at different time放電時間(h)0-1010-2020-3034-4560-80120-140等效并聯(lián)電阻()130347366428451658圖2-12 三個不同容量的超級電容放電曲線比較表2-4 50F的電容在各個時段的等效并聯(lián)電阻放電時間(h)0.550.55-1010-2023-3333-43等效并聯(lián)電阻()21918549000878011250放電時間(h)

18、92-102162173190200240250287297等效并聯(lián)電阻()12183146942166032114492142.6.2影響超級電容放電速度的因素圖2-14給出了一超級電容在充電至額定電壓1V時并恒壓保持圖2-14 恒壓時間對漏電流的影響這種現(xiàn)象的原因可作如下解釋：電極/溶液界面雙電層由第三章：RLC諧振電路3.1 RLC諧振電路的特點1因為理論值都是嚴(yán)格的數(shù)據(jù)推論，在試驗當(dāng)中采用的元件數(shù)值，和環(huán)境溫度都是具有偏差，其相差是各個數(shù)值偏差乘積的關(guān)系，所以顯示相差很大。2因為串聯(lián)諧振發(fā)生后元件的串聯(lián)端電壓升高許多，稱為串聯(lián)諧振。人們利用這個效應(yīng)發(fā)明了收音機的選頻電路。 并聯(lián)諧振的發(fā)

19、生表現(xiàn)為線路電流增加許多，所以稱作并聯(lián)諧振。人們利用這個特性，開發(fā)出陷波電路，專門吸收某個不希望的頻率。3 諧振狀態(tài)的電壓升高是若干元件的特性因數(shù)共同起作用的一種表現(xiàn)，一旦改變了特性因數(shù)升壓也就消失。所以不可以用負(fù)載的因素加入。3.2. 2 RLC串聯(lián)諧振電路的特性 當(dāng)外來頻率加于一RLC并聯(lián)諧振電路時,它有以下特性：（1）RC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性選擇正弦波信號，保持其輸出幅度不變，用示波器測量不同頻率時Uc，可取C=0.01µF，R=1K¤,也可根據(jù)實際情況自選R、C參數(shù)。自擬數(shù)據(jù)記錄表格，根據(jù)測量結(jié)果作RC串聯(lián)電路的幅頻特性圖。用雙通道示波器觀測時可用一個通道監(jiān)測信號源電

20、壓，另一個通道測量Uc，但需要注意兩通道的接地點應(yīng)位于線路的同一點，否則會引起電路短路。（2）RC串聯(lián)電路的暫態(tài)特性選擇方波作為信號源進(jìn)行實驗。選擇合適的R和C值，根據(jù)時間常數(shù)，選擇合適的方波頻率，一般要求方波的周期T>10, 這樣能較完整的反應(yīng)暫態(tài)過程，做出RC電路的暫態(tài)響應(yīng)曲線。改變方波頻率，觀察波形的變化情況，分析相同的值在不同頻率時的波形變化情況。（3）RLC串聯(lián)電路的穩(wěn)態(tài)特性選擇正弦波信號進(jìn)行實驗。選擇合適的L值，C值和R值，用示波器的兩個通道分別測量信號源電壓U和電阻電壓UR。選擇合適的正弦波頻率范圍，從低到高調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)電阻電壓UR為最大時的頻率既為諧振頻率，觀測RLC串聯(lián)

21、電路的幅頻特性。3.2.2諧振電路振蕩頻率和品質(zhì)因數(shù)定義RLC串聯(lián)諧振的振蕩頻率是23： (3-1)RLC并聯(lián)諧振的振蕩頻率是23： (3-2)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q（也稱諧振系數(shù)）反映的是諧振電路的性能23，定義為， (3-3)式中 諧振角頻率； 串聯(lián)諧振電路的特性阻抗，=3.3 超級電容串聯(lián)諧振可能性與諧振條件研究3.3.1 串聯(lián)諧振仿真實驗方法 串聯(lián)仿真實驗所采用的電路原理如圖3-1所示。圖3-1中n112圖3-1. 串聯(lián)諧振仿真電路原理圖Fig.3-1 Schematic diagram of series connection resonance simulation3.3.2 串聯(lián)諧

22、振仿真實驗結(jié)果 根據(jù)以上的仿真結(jié)果，可以得出：超級電容是從仿真看來，3.4 超級電容并聯(lián)諧振可能性與諧振條件研究 3.4.1 并聯(lián)諧振仿真實驗方法 3.4.2 并聯(lián)諧振仿真實驗結(jié)果 3.5 超級電容串聯(lián)均壓與保護(hù)電路設(shè)計3.5.1 超級電容串聯(lián)均壓的必要性分析3.5.2 超級電容串聯(lián)均壓的途徑(1)電阻均壓電路 這種方法是(2)齊納二極管穩(wěn)壓電路 這種方法(3)電力電子buck-boost 電路 解決電容矩陣電壓平衡問題3.5.3 超級電容串聯(lián)保護(hù)電路設(shè)計3.6本章小結(jié)本章問題，得出以下結(jié)論：(1)由于超級電容(2)要超級電容充電器設(shè)計4.1 引言4.2電容器的充電方法的選擇 4.3 超級電容

23、充電器硬件系統(tǒng)設(shè)計4.3.1 PWM控制器芯片UC3842 4.3.2 IR2117驅(qū)動芯片4.3.2.1 驅(qū)動芯片IR2117的主要功能特點 IR2117是由4.3.2.2 自舉電容的計算與選擇 由于IR2117是依靠自舉電容的充電來自舉電路 Vbs 集成電路影響自舉電源的因素 一般來講，影響圖4-6 IR2117的自舉電路充電實驗結(jié)果 采用本文設(shè)計的恒流電源對300F/2.7V和 600F/2.7V 圖4-7 300F超級電容充電電流圖 圖4-8 600F超級電容充電電流圖 4.4 超級電容充電器軟件系統(tǒng)設(shè)計4.4.1 MC68HC908GP32單片機的資源4.4.2上位機和下位機之間的通

24、信協(xié)議4.4.3 上位機用戶程序的功能4.5 本章小結(jié)超級電容在應(yīng)用中的計算方法5.1引言5.2 超級電容計算方法的原理分析5.2.1 超級電容的放電過程分析 5.2.2超級電容應(yīng)用系統(tǒng)中的主要性能參數(shù)5.3 超級電容用作后備電源的計算方法實例分析5.3.1 超級電容型號已知的解決方案 5.3.2 超級電容型號未知的解決方案5.4 超級電容和蓄電池的并聯(lián)組合的計算方法5.4.1 蓄電池的等效模型簡介發(fā)動機驅(qū)動5.4.2 影響蓄電池的容量的因素5.4.3蓄電池和超級電容并聯(lián)組合的計算方法超級電容器原理：又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學(xué)電

25、容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近。 超級電容器是建立在德國物理學(xué)家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使

26、相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負(fù)離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。 雙電層電容器與鋁電解電容相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時

27、，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。分類按原理分超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡單介紹。 按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器： 雙電層型超級電容器 分類多樣1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。 2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強，噴涂或熔融金屬增強其導(dǎo)電性制備電極。 3.碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。 4.碳納米管電極材料，

28、碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級電容器電極。 以上電極材料可以制成： 1.平板型超級電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級電容器，可以達(dá)到300V以上的工作電壓。 2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。 贗電容型超級電容器 包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負(fù)極材料制備的超級電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、

29、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級電容器。這一類型超級電容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。 按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機電解質(zhì)類型： 水性電解質(zhì) 1.酸性電解質(zhì)，多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。 2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。 3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。 有機電解質(zhì) 通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機溶劑如PC、A

30、CN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。 其他分類1.液體電解質(zhì)超級電容器，多數(shù)超級電容器電解質(zhì)均為液態(tài)。 2.固體電解質(zhì)超級電容器，隨著鋰離子電池固態(tài)電解液的發(fā)展，應(yīng)用于超級電容器的電解質(zhì)也對凝膠電解質(zhì)和PEO等固體電解質(zhì)進(jìn)行研究。 充放電時間超級電容器可以快速充放電，峰值電流僅受其內(nèi)阻限制，甚至短路也不是致命的。實際上決定于電容器單體大小，對于匹配負(fù)載，小單體可放10A，大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱，反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高，最終導(dǎo)致斷路。 超級電容器的電阻阻礙其快速放電，超級電容器的時間常數(shù)在1-2s，完全給阻-容式電路放電

31、大約需要5，也就是說如果短路放電大約需要5-10s（由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實際上得花上數(shù)個小時才能將殘留的電荷完全釋放） 優(yōu)缺點優(yōu)點在很小的體積下達(dá)到法拉級的電容量；無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；從環(huán)保的角度考慮，它是一種綠色能源；超級電容器可焊接，因而不存在像電池接觸不牢固等問題； 缺點如果使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；和鋁電解電容器相比，它內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路； 與電池的比較超級電容器不同于電池，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，它可能優(yōu)于電池。有時將兩者結(jié)合起來，將電容器的功率特性和電池的高能量存儲結(jié)合起來，不失為一種更好的途徑。 超級電容器

32、在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位，且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍，如果過放可能造成永久性破壞。 超級電容器的荷電狀態(tài)（SOC）與電壓構(gòu)成簡單的函數(shù)，而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。 超級電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲更多的能量，電池與其體積相當(dāng)?shù)某夒娙萜飨啾瓤梢源鎯Ω嗟哪芰?。在一些功率決定能量存儲器件尺寸的應(yīng)用中，超級電容器是一種更好的途徑。 超級電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響，相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。 超級電容器可以快速充電而電池快速充電則會受到損害。 超級電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次，而電池壽命僅幾

33、百個循環(huán)。如何選擇超級電容器的兩個主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時流向負(fù)載大電流；瞬時功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應(yīng)用：斷電時齒盤驅(qū)動頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。超級電容器應(yīng)用廣泛下面提供了兩種計算公式和應(yīng)用實例： C(F)： 超電容的標(biāo)稱容量； R(Ohms)： 超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻； ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯(lián)電阻； Uwork(V)： 在電路中的正常工作電壓 Umin(V)

34、： 要求器件工作的最小電壓； t(s)： 在電路中要求的保持時間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時間； Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結(jié)束時，總的電壓降； I(A)： 負(fù)載電流； 瞬時功率保持應(yīng)用 超電容容量的近似計算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。 保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t； 超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)， 因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=I(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2) 實例： 假設(shè)磁帶驅(qū)動的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,

35、根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。 因為5V的電壓超過了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話，那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。 如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器20%的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]20%的容量偏差，最小值1.2F/2=0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。 在該實例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。 脈沖功率應(yīng)用 脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時

36、大電流相對的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時間從1ms到幾秒。 設(shè)計分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時壓降。關(guān)系如下： Udrop=I(R+t/C) 電容板上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。 對于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計，標(biāo)稱是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對于一個0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ohms。即便是

37、0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms，顯然R（0.090Ohms）決定了上式的Udrop輸出。 實例： GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。 選擇超級電容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC

38、 ESR：0.250Ohms）。對于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。 結(jié)論 不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計算當(dāng)電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時，可以用相同的電容器串聯(lián)一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。 使用注意事項1、超級電容器具有固定的極性。在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。 2、超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用

39、： 當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時，將會導(dǎo)致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。 3、超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。 4、超級電容器的壽命： 外界環(huán)境溫度對于超級電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。 5、當(dāng)超級電容器被用做后備電源時的電壓降： 由于超級電容器具有內(nèi)阻較大的特點，在放電的瞬間存在電壓降，V=IR。 不同領(lǐng)域的運用6、使用中環(huán)境氣體： 超級電容器不可處于相對濕度大于85%或含有有毒氣體的場所，這些環(huán)境下會

40、導(dǎo)致引線及電容器殼體腐蝕，導(dǎo)致斷路。 7、超級電容器的存放： 超級電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中，應(yīng)在溫度-30+50、相對濕度小于60%的環(huán)境下儲存，避免溫度驟升驟降，因為這樣會導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。 8、超級電容器在雙面線路板上的使用： 當(dāng)超級電容器用于雙面電路板上，需要注意連接處不可經(jīng)過電容器可觸及的地方，由于超級電容器的安裝方式，會導(dǎo)致短路現(xiàn)象。 9、當(dāng)把電容器焊接在線路板上時，不可將電容器殼體接觸到線路板上，不然焊接物會滲入至電容器穿線孔內(nèi)，對電容器性能產(chǎn)生影響。 10、安裝超級電容器后，不可強行傾斜或扭動電容器，這樣會導(dǎo)致電容器引線松動，導(dǎo)致性能劣化。 11、在焊接過程中避免使電容器過熱

41、： 若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應(yīng)為260，時間不超過5s。 12、焊接后的清洗： 在電容器經(jīng)過焊接后，線路板及電容器需要經(jīng)過清洗，因為某些雜質(zhì)可能會導(dǎo)致電容器短路。 13、將電容器串聯(lián)使用時： 當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個或幾個單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響，故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，需得到廠家的技術(shù)支持。 14、其他： 在使用超級電容器的過程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問題，請向生產(chǎn)廠家咨詢或參照超級電容器使用說明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行 超級電容是最近幾年

42、才批量生產(chǎn)的一種無源器件，它介于電池與普通電容之間，具有電容的大電流快速放點優(yōu)點，也有電池的儲能特性?？芍貜?fù)使用、壽命長。放電時導(dǎo)體間電子移動，而不依靠化學(xué)反應(yīng)，可以為設(shè)備提供電源。超級電容器/法拉電容/超級電容器的應(yīng)用方案之一 本方案適用于在用電容儲能（或已更換蓄電池組）式硅整流分合閘裝置。在原電路上改造的電路原理如圖一所示：其中圖中虛線框內(nèi)所包含的線路圖右上角打叉的為改造要去掉的電解電容器組或蓄電池組。圖中虛線框內(nèi)所包含的線路圖右上角打勾為為需加入的超級電容器及電路，每只超級電容器參數(shù)為0.85F/280V，（85萬微法）兩只超級電容器采用同時工作，互為熱備的工作方式。R1R2為充電限流電阻，根據(jù)所需充電速度的大小可選擇500W或1000W鹵鎢燈（或100W200W白熾燈）其冷態(tài)電阻較熱態(tài)電阻小56倍，比較適合電容器電壓建立后宜減小限流電阻的要求。這一方案的優(yōu)勢為： 1. 在保留了原設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)量小的特點的同時，保證了分閘能量供應(yīng)的絕對可靠，這是因為超級電容器的儲能較原電解電容器組大了幾百倍，在停電后可保證數(shù)百次的分閘，安全余量非常大。 2. 極小的漏電使其荷電保持能力非常強，停電數(shù)天后應(yīng)有上百次的分閘能力。 3. 一