Суперконденсаторы - разные, чем другие (часть 2)

Суперконденсаторы - разные, чем другие (часть 2)
Суперконденсаторы - разные, чем другие (часть 2)
Anonim
Image
Image

Super Capacitors - Different Then Others (на фото Super Capacitor 2.7V, Емкость 0.22 ~ 20F, ESR 40 ~ 2000ohm)

Продолжение с первой части: Суперконденсаторы - разные Затем Другие (часть 1)

содержание

  1. Эквивалентная схема

  2. Как измерить емкость?

    • Способ оплаты
    • Способ разряда
  3. Мера Емкость
  4. Типы конденсаторов
  5. Преимущества суперконденсаторов

Эквивалентная схема

Суперконденсаторы можно проиллюстрировать аналогично обычным пленочным, керамическим или алюминиевым электролитическим конденсаторам.

Рисунок 3 - Модель первого порядка суперконденсатора

Эта эквивалентная схема является только упрощенной или первой моделью суперконденсатора. В действительности суперконденсаторы демонстрируют не идеальное поведение из-за пористых материалов, используемых для изготовления электродов. Это приводит к тому, что суперконденсаторы проявляют более тесное взаимодействие с линиями передачи, чем конденсаторы.

Ниже приведена более точная иллюстрация эквивалентной схемы для суперконденсатора:

Рисунок 4 - Модель суперконденсатора

Перейти к содержанию ↑

Как измерить емкость?

Существует несколько способов измерения емкости суперконденсаторов:

  1. Способ оплаты
  2. Способ зарядки и разрядки.

Перейти к содержанию ↑

Способ оплаты

Измерение выполняется с использованием метода заряда, используя следующую формулу:

C = t / R

t = 0, 632 x V o, где V o - приложенное напряжение.

Рисунок 5 - Способы заряда и разряда

Перейти к содержанию ↑

Способ разряда

Этот метод аналогичен методу зарядки, за исключением того, что емкость рассчитывается во время цикла разряда вместо цикла зарядки.

Время разряда для постоянного тока:

t = C x (V 0 - V 1) / I

Время разряда для постоянного сопротивления:

t = CR ln (V 1 / V 0)

Где:

t - время разряда, V 0 - начальное напряжение

V 1 - конечное напряжение

I - ток

Перейти к содержанию ↑

Мера Емкость

Суперконденсаторы имеют такие большие значения емкости, что стандартное измерительное оборудование не может использоваться для измерения емкости этих конденсаторов.

Емкость измеряется по следующему методу:

  1. Заряжайте конденсатор на 30 минут при номинальном напряжении.
  2. Разрядный конденсатор через постоянную нагрузку.
  3. Скорость разряда составляет 1 мА / ч.
  4. Измерьте падение напряжения между V 1 - V 2.
  5. Измерьте время разряда конденсатора от V 1 до V 2.
  6. Вычислите емкость, используя следующее уравнение:

C = I * (T 2 - T 1)

V 1 - V 2

Где:

V 1 = 0, 7 Vr, V2 = 0, 3 Vr (Vr - номинальное напряжение конденсатора)

Перейти к содержанию ↑

Типы конденсаторов

Мы объединяем конденсаторы в три типа семейств, а основным является электростатический конденсатор с сухим сепаратором.

Этот конденсатор имеет очень низкую емкость и используется для фильтрации сигналов и настройки радиочастот.

Типы конденсаторов

Размер варьируется от нескольких pico-farad (pf) до низких микрофарад (uF).

Следующим элементом является электролитический конденсатор, который используется для:

  1. Фильтрация мощности,
  2. Буферизация и
  3. Связь.

Номинальный в микрофарадах (мкФ), этот конденсатор имеет в несколько тысяч раз емкость электростатического конденсатора и использует влажный сепаратор.

Как работает конденсатор - доктор Оливер Винн

Не могу посмотреть это видео? Нажмите здесь, чтобы посмотреть его на Youtube.

Третий тип - суперконденсатор, оцененный в фарадах, что в тысячи раз выше, чем электролитический конденсатор. Суперконденсатор идеально подходит для хранения энергии, которая подвергается частым циклам заряда и разряда при высоком токе и короткой продолжительности.

Фарад - это единица емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея. Один фарад хранит один кулон электрического заряда при применении одного вольта. Одна микрофарада в миллион раз меньше фарада, и один пико-фарад снова в миллион раз меньше, чем микрофарада.

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с электрическим двухслойным конденсатором, что привело к разработке раннего типа суперконденсатора в 1957 году. Тогда не было известных коммерческих приложений.

В 1966 году компания Standard Oil неожиданно обнаружила влияние двухслойного конденсатора при работе над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Компания не занималась коммерциализацией изобретения, но лицензировала его для NEC, которая в 1978 году продала технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования компьютерной памяти.

Только в 1990-х годах прогресс в материалах и методах производства привел к повышению производительности и снижению стоимости.

Современный суперконденсатор не является батареей как таковой, но пересекает границу в технологии батареи, используя специальные электроды и электролит. Было опробовано несколько типов электродов, и мы фокусируемся на концепции двухслойного конденсатора (DLC). Он основан на углероде, имеет органический электролит, который прост в изготовлении и является наиболее распространенной системой, используемой сегодня.

Все конденсаторы имеют пределы напряжения. Хотя электростатический конденсатор может выдерживать высокие напряжения, суперконденсатор ограничивается 2, 5-2, 7 В. Напряжения в 2, 8 В и выше возможны, но они сокращают срок службы.

Для достижения более высоких напряжений несколько суперконденсаторов соединены последовательно.

Это имеет недостатки.

Последовательное соединение уменьшает общую емкость, а для строк более трех конденсаторов требуется балансировка напряжения, чтобы предотвратить перегрузку какой-либо ячейки. Это похоже на схему защиты литиево-ионных батарей.

Конкретная энергия суперконденсатора низкая и составляет от 1 до 30 Вт / кг. Хотя высокий по сравнению с обычным конденсатором, 30 Вт / кг на одну пятую, чем у потребительской литий-ионной батареи. Кривая разряда является еще одним недостатком. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает постоянное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе от полного до нулевого напряжения.

Это уменьшает полезный спектр мощности, и большая часть сохраненной энергии остается позади.

Рассмотрим следующий пример.

Возьмите источник питания 6 В, который разрешается разряжать до 4, 5 В, прежде чем оборудование отключится. При линейном разряде суперконденсатор достигает этого порога напряжения в течение первой четверти цикла, а оставшиеся три четверти резерва энергии становятся непригодными.

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток мог бы использовать часть остаточной энергии, но это увеличило бы стоимость и обеспечило бы от 10 до 15 процентов потери энергии. С другой стороны, батарея с плоской кривой разряда будет доставлять от 90 до 95 процентов своего запаса энергии до достижения порога напряжения.

В таблице 1 ниже сравнивается суперконденсатор с типичным литий-ионом:

функция Ионистор Литий-ионный (общий)
Время заряда 1-10 секунд 10-60 минут
Жизненный цикл 1 миллион или 30 000 часов 500 и выше
Напряжение ячейки От 2, 3 до 2, 75 В 3, 6 до 3, 7 В
Удельная энергия (Вт / кг) 5 (типичный) 100-200
Удельная мощность (Вт / кг) До 10000 От 1000 до 3000
Стоимость за Wh $ 20 (типичный) $ 0, 50- $ 1, 00 (большая система)
Срок службы (в автомобиле) От 10 до 15 лет От 5 до 10 лет
Температура зарядки От -40 до 65 ° C (от -40 до 149 ° F) От 0 до 45 ° C (от 32 до 113 ° F)
Температура нагнетания От -40 до 65 ° C (от -40 до 149 ° F) -20 до 60 ° C (от -4 до 140 ° F)

Вместо того, чтобы работать как автономное устройство хранения энергии, суперконденсаторы хорошо работают как резервное копирование памяти с низким уровнем обслуживания, чтобы преодолеть короткие перебои в питании. Суперконденсаторы также совершили критические вторжения в электрические силовые агрегаты.

Достоинство сверхбыстрой зарядки и подачи большого тока по требованию делает суперконденсатор идеальным кандидатом в качестве усилителя максимальной нагрузки для гибридных автомобилей, а также для использования топливных элементов.

Время заряда суперконденсатора составляет около 10 секунд.

Характеристика заряда аналогична электрохимической батарее, и зарядный ток в значительной степени ограничен зарядным устройством. Первоначальный заряд может быть выполнен очень быстро, и заряд верхней части займет дополнительное время.

Необходимо предусмотреть ограничение начального пуска тока при зарядке пустого суперконденсатора.

Суперконденсатор не может перегружать и не требует обнаружения полной зарядки; ток просто перестает течь, когда конденсатор заполнен. Суперконденсатор можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз. В отличие от электрохимической батареи, которая имеет определенный срок службы, существует небольшой износ, приводящий в движение суперконденсатор.

Также возраст не влияет на устройство, так как это будет батарея.

В нормальных условиях суперконденсатор исчезает с первоначальной 100-процентной до 80 процентов через 10 лет. Применение более высоких напряжений, чем указано, сокращает срок службы. Суперконденсатор хорошо работает при высоких и низких температурах.

Саморазряд суперконденсатора существенно выше, чем у электростатического конденсатора и несколько выше, чем электрохимическая батарея. Этому способствует органический электролит.

Сохраненная энергия суперконденсатора уменьшается от 100 до 50 процентов за 30-40 дней.

Батарея на основе никеля разряжается от 10 до 15 процентов в месяц. Литий-ионные разряды составляют только пять процентов в месяц.

Суперконденсаторы являются дорогостоящими с точки зрения стоимости на ватт. Некоторые инженеры-конструкторы утверждают, что деньги на суперконденсатор лучше потратить на большую батарею.

Нам нужно понять, что суперконденсатор и химическая батарея не конкурируют; скорее, это разные продукты, обслуживающие уникальные приложения.

Перейти к содержанию ↑

Преимущества суперконденсаторов

  1. Напряжение ячейки определяется приложением схемы, не ограниченным химией ячейки.
  2. Возможны очень высокие напряжения на ячейке (но есть компромисс с мощностью)
  3. Доступна высокая мощность.
  4. Высокая плотность мощности.
  5. Простые способы зарядки. Никаких специальных схем зарядки или определения напряжения не требуется.
  6. Очень быстрая зарядка и разрядка. Может заряжаться и разряжаться в секундах. Гораздо быстрее, чем батареи.
  7. Никаких химических воздействий.
  8. Нельзя перезарядить.
  9. Длительный срок службы более 500 000 циклов при 100% DOD.
  10. Длительный календарный срок службы от 10 до 20 лет
  11. Практически неограниченный срок службы - не подвержен износу и старению, испытываемым электрохимической батареей.
  12. Низкий импеданс - улучшает работу импульсного тока, параллельно с электрохимической батареей.
  13. Быстрая зарядка - суперконденсаторы с низким сопротивлением заряжаются в секундах.
  14. Простые способы заряда - схема ограничения напряжения компенсирует саморазряды; не требуется полная схема обнаружения заряда.
  15. Экономичное энергопотребление - более низкая плотность энергии компенсируется очень высоким количеством циклов.

  16. Почти нулевой уход и долгий срок службы, с небольшим ухудшением в течение сотен тысяч циклов.

    В то время как большинство доступных в продаже перезаряжаемых батарей можно заряжать от 200 до 1000 раз, ультраконденсаторы могут заряжаться и разряжаться сотни тысяч раз без повреждений. Однако на самом деле их можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз, и это будет продолжаться весь срок службы большинства устройств и приложений, в которых они используются, что делает их экологически чистыми.

    Срок службы батареи может быть оптимизирован за счет зарядки только в благоприятных условиях, с идеальной скоростью, а для некоторых химикатов - как можно реже.

    Ultracapacitors могут помочь в сочетании с батареями, действуя как кондиционер заряда, сохраняя энергию из других источников для целей балансировки нагрузки, а затем используя любую избыточную энергию для зарядки батарей в подходящее время.

  17. Повышенная безопасность, поскольку они могут обрабатывать короткое замыкание и обратную полярность. Кроме того, нет опасности возгорания и взрыва.

  18. Повышенная экологическая безопасность, поскольку отсутствует коррозионный электролит, а токсичность используемых материалов низкая.

    Аккумуляторные батареи, с другой стороны, изнашиваются, как правило, в течение нескольких лет, и их высокореактивные химические электролиты представляют собой риск утилизации и безопасности.

  19. Прочный, поскольку у них есть герметик с эпоксидной смолой, который не вызывает коррозии.

Перейти к содержанию ↑