超级电容直流电源（精选9篇）
超级电容直流电源 第1篇
1.1 背景
传统直流电源使用铅酸蓄电池作为后备电源 , 蓄电池虽然有着容量大的优点 , 但是随着现代社会的发展 ,对环境保护提出的更高要求 , 由于蓄电池电介质为铅酸介质 , 为重金属和酸性物质 , 电池报废后对环境的污染较为严重。
在现代工业和纳米技术的迅速发展的今天 , 纳米技术在超级电容中得到应用 , 使得电容的蓄电能力大大加强 , 因此 , 使用超级电容代替电池作为后备电源 , 符合低碳、环保的清洁能源的理念要求。考虑到电容容量的局限性,同时兼顾环保理念的要求和系统运行的可靠性,系统可采用锂电池作为控制母线的后备电源。
1.2 目的
针对现有直流电源技术中存在的技术缺陷 , 设计一种带有超级电容模块的直流电源系统 , 该电源系统具有能够提供大电流充放电、循环寿命长、低温特性好、智能化管理、环保等特点。
2 系统描述
2.1 技术概述
本直流电源系统的系统结构是:带有超级电容模块 ,包括超级电容模块、交流进线、电容充电系统、人机界面、直流监控单元、交流监控单元。
具体来说:
超级电容器模块 , 包括多个串联的超级电容单体 ,为直流电源的输出提供电源。超级电容器模块包括超级电容单体电压均衡电路 , 避免了模块内单体电压不均衡的现象;超级电容模块内部包含独立检测单元 , 用于采集和处理超级电容模块内部每个串联超级电容单体的运行参数 , 并将处理后的运行参数传输给人机界面;
交流监控单元 , 负责采集交流电源的电压 , 上传至人机界面;
直流监控单元 , 负责采集电容组端电压和充、放电电流 , 同时上传至人机界面。
人机界面 , 采用触摸显示屏 , 对充电系统的充电电压和电流数据进行显示 , 同时系统故障时 , 显示系统的故障内容以及故障发生的时间和故障恢复时间 , 系统运行时 ,可以对充电机进行开关机操作 , 亦可对充电电压和电流以及报警参数进行设置 , 系统参数设置有密码保护。
电容充电系统 , 与超级电容模块采用分体式设计 , 采用恒压限流方式进行充电。
2.2 实际结构
本直流系统结构图如图1所示 , 超级电容模块内部含有单体电压均衡电路 , 防止单体电压过高。各个子系统结构图如图2、图3、图4所示。
其中:
电容充电系统:
交流监控单元:
直流监控单元:
2.3 分析对比
本文设计了一种带有超级电容模块的直流电源系统。本系统具有结构简单 , 便于携带、低温特性好、智能化以及环保等特点。可以有效的解决铅酸电池带来的环境污染以及需长期维护等问题,可以广泛地生产普及,具有重大的生产实践意义。
与现有直流电源装置相比较 , 本电源装置带有超级电容器模块 , 其可以提供应急电源动作时所需的电流 ,又可以提高应急电源装置的寿命 , 结构简单 , 易于携带 ,智能化显示 , 低温特性良好且环保无污染。其适用性非常广 , 可以广泛地生产普及 , 具有重大的生产实践意义。
3 结束语
3.1 本直流电源系统的优点
(1) 解决了目前直流电源系统使用铅酸电池带来的环境污染以及需长期维护等问题;
(2) 可以提供直流电源系统动作时所需的电流;
(3) 可以提高直流电源系统装置的寿命;
(4)具备便于携带、低温特性好、智能化、环保等特点;
(5) 其关键技术可以在行业范围内进行推广应用 , 具有重大的生产实践意义。
3.2 本直流电源系统局限性
(1) 只能适用于短时供电 , 需与电池组配合使用 , 如锂电池;
(2) 所能承受的冲击负荷较低 , 对配套设备要求较高。
3.3 应用
在电力系统中 , 人们最期待的就是找到一种储能元件来取代蓄电池 , 实现快速充放电和长寿命工作。而超级电容的问世给电力行业取代蓄电池带来了希望。如果能充分利用超级电容寿命长、免维护、充电时间短、无污染等优点,将其应用在直流电源系统上 , 会给安全供电增加稳定性。
现在 , 仅以某石化公司炼油部为例 , 共有55面直流电源系统 ( 由蓄电池作备用电源 )。目前每个直流蓄电池一年需充放电活化1 ~ 2次 , 每次至少10小时 , 按两人操作计算,累计工时为1100~2200小时/年。同时,每次充放电过程需将蓄电池退出运行 , 大大降低了直流供电的可靠性 , 增加了运行风险。如果更换为超级电容直流电源系统 , 将会大大节约维护成本 , 提高使用寿命 ,提高供电可靠性。
参考文献
[1]武伟,谢少军,张曌,许津铭.基于MMC双向DC-DC变换器的超级电容储能系统控制策略分析与设计[J].中国电机工程学报,2014,34(27):4568-4575.
[2]韦统振,吴理心,韩立博,霍群海.基于超级电容器储能的交直交变频驱动系统制动能量综合回收利用方法研究[J].中国电机工程学报,2014,34(24):4076-4083.
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[4]王琪,孙玉坤,陈坤华,黄永红,嵇小辅.半主动式结构的蓄电池-超级电容器复合电源[J].江苏大学学报,2014,35(4):428-433.
[5]任喜国,杨承志.超级电容直流电源的研究[J].科学技术与工程,2013,(19):5642-5648.
超级电容基本参数概念 第2篇
超级电容器具有比二次电池更长的使用寿命，但它的使用寿命并不是无限的，超级电容器基本失效的形式是电容内阻的增加( ESR)与 (或) 电容容量的降低.，电容实际的失效形式往往与用户的应用有关，长期过温(温度)过压 (电压)，或者频繁大电流放电都会导致电容内阻的增加或者容量的减小。在规定的参数范围内使用超级电容器可以有效的延长超级电容器的寿命。通常，超级电容器具有于普通电解电容类似的结构，都是在一个铝壳内密封了液体电解液，若干年以后，电解液会逐渐干涸，这一点与普通电解电容一样，这会导致电容内阻的增加，并使电容彻底失效。
一、电压 Voltage
超级电容器具有一个推荐的工作电压或者最佳工作电压，这个值是根据电容在最高设定温度下最长工作时间来确定的。如果应用电压高于推荐电压，将缩短电容的寿命，如果过压比较长的时间，电容内部的电解液将会分解形成气体，当气体的压力逐渐增强时，电容的安全孔将会破裂或者冲破。短时间的过压对电容而言是可以容忍的 。
二、极性 Polarity
超级电容器采用对称电极设计，也就说，他们具有类似的结构。当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了，每一个超级电容器的外壳上都有一个负极的标志或者标识。虽然它们可以被短路以使电压降低到零伏，但电极依然保留很少一部分的电荷，此时变换极性是不推荐的。电容按照一个方向被充电的时间越长，它们的极性就变得越强，如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。
三、温度 Ambient Temperature
超级电容器的正常操作温度是-40 ℃ ～ 70℃，温度与电压的结合是影响超级电容器寿命的重要因素。通常情况下，超级电容器是温度每升高10℃，电容的寿命就将降低30%～50%，也就说，在可能的情况下，尽可以的降低超级电容器的使用温度，以降低电容的衰减与内阻的升高，如果不可能降低使用温度，那么可以降低电压以抵清高温对电容的负面影响。比如，如果电容的工作电压降低为1.8V，那么电容可以工作于65℃高温下。如果在低于室温的条件下使用超级电容器，那么可以使超级电容工作高于指定的电压，而不会加快超级电容器内部的退化并影响超级电容器的寿命，在低温下提高超级电容的工作电压，可有效地抵消超级电容低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻会升高，此变化是永久的，不可逆转的(电解液已分解)，在低温下，电容内阻的升高是暂时现象，因为低温下，电解液是黏輖性升高，降低了离子的运动速度。
四、放电 Discharge Characteristics
超级电容器放电时，会按照一条斜率曲线放电，当一个应用明确了电容的容量与内阻要求后，最重要的就是需要了解电阻及电容量对放电特性的影响。在脉冲应用中，电阻是最重要的因素，在小电流应用中，容量又是重要的因素。计算公式如下：
Vdrop=I( R + t/C)
其中Vdrop是起始工作电压与截止工作电压之差，I是放电电流，R是电容是直流内阻，t是放电时间，C是电容容量
在脉冲应用中，由于瞬间电流很大，为减少电压跌落，选用低内阻(ESR)的超级电容(R值)，在小电流应用中，为降低电压跌落，需要选用大容量的超级电容(C值)。
五、充电 Charge Methods
超级电容器具有多种充电形式，比如恒流、恒功率、恒压等。或者与电源并列，比如电池、燃料电池、DC变换器等。如果一个电容与一个电池并联，那么在电容回路中串联一个电阻将降低电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。如果串联了电阻，那么要保证电容的电压输出是直接与负载连接，而没有经过电阻，否则电容是低电阻特性将是无效。很多电池系统不允许瞬间大电流放电，否则会影响到电池的寿命。一只电容最大的推荐充电电流计算公式如下:
I=Vw/5R
其中I是推荐的最大充电电流，Vw是充电电压，R是电容的直流内阻。
电容持续采用大电流或者过压充电。会引起电容发热，过热会导致电容内阻增加、电解液分解产生气体、缩短寿命、漏电流增加或者电容破裂。
六、自放电与漏电流 Self Discharge and Leakage Current
自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流;当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。
为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。超级电容是模型可以当成几只不同的内阻的超级电容的并联，当充电时，低内阻的超级电容充电速度快，电压很快上升至与充电电压相等，当充电电压移去后，如果高内阻的超级电容还没有被充满，低内阻的超级电容开始向并联的高内阻超级电容放电，这样电容两端的电压下降就会比较快，给人的印象是电容具有比较大的自放电，必须注意的是：当电容容量越大，电容被充满所需的时间就会越长。
七、电容串联 Series Configurations of Super capacitors
单体超级电容器的电压一般为2.5V或者2.7V，在许多应用中，需要比较高的电压，这样可以使用串联的方法来提高电容的电压，必须注意，在串联应用中，每一个单体的电容都不能超过其最大的耐压，一旦长期过压，将导致电容电解液分解、气体产生、内阻增加以及电容寿命缩短。
在放电或者充电时，电容容量的差异或者稳定状态下漏电流的差异，都将导致串联电容分压不平衡。在充电时，串联的电容将进行分压，这样高容量的电容将承受更大的电压压力。比如，如果两个1F的电容进行串联，一只是+20%容量偏差，另一只是-20%容量偏差，电容分压如下：
Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)]其中Vcap1是+20%容量偏差的电容如果充电电压是5V
Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V
从上式可以看出，如果需要避免分压大于电容的峰值电压3V，那么电容容量误差必须在同一个趋势范围内，比如同为+20%误差或者同为-20%误差。另外也可以用主动电压平衡电路来弥补电容容量的不匹配造成的电压不平衡。
八、被动电压平衡 Passive Voltage Balancing
被动电压平衡电路是采用与电容并联的电阻进行分压，这就允许电流从电压比较高的电容向电压比较低的电容流动，通过这种方式进行电压平衡。选择电阻的阻值是非常重要的，通常要使电阻允许的电流大于电容预期的漏电流。需要记住的是，漏电流在温度升高的时候通常会增大。
被动平衡电路只有在不频繁对电容进行充放电的应用中使用，同时能够容忍平衡电阻引起的额外电流，建议选择平衡电阻阻值时，使平衡电阻的电流大于电容漏电流50倍以上，(平衡电阻值为3.3KΩ-22KΩ,取决于电容的最高操作温度)，虽然大多数平衡电路都采用比较高的平衡电阻，但当串联的电容非常不匹配时，保护是不够充分的。
九、主动电压平衡 Active Voltage Balancing
主动平衡电路强迫串联节点的电压与参考电压相一致，不管电压有多么的不平衡，同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时，才会产生比较大的电流，这些特性使主动平衡电路非常适合于需要频繁充放电的场合。
十、反极性保护 Reverse Voltage Protection
当串联使用的超级电容器被快速充电时，低容量的电压有可能变成反极性，这是不允许的，同时会降低电容的使用寿命，一个简单的解决办法就是在电容的两端并联一个二极管，正常情况下，它们是反压不导通的。使用一个合适的齐纳稳压二极管替换标准的二极管，能够同时对电容过压进行保护。需要注意，二极管必须能够承受电源的峰值电流。
十一、脉动电流 Ripple Current
虽然超级电容器具有比较低的内阻，对相对于电解电容而言，它的内阻还是比较大，当应用于脉动电流场合下，容易引起电容内部发热。从而导致电容内部电解液分解、内阻增加，并引起电容寿命缩短。为了保证电容的使用寿命，在应用于脉动场合时，最好保证电容表面的温度上升不超过5℃。
参数型号：GRP2R7D127额定电压：2.7V容量：120F最大内阻：20mΩ简介：(1)推荐应用领域 消费类电器、工业与汽车、便携式电源工具、短期UPS(不间断电源)新能源储能系统等。 太阳能产品。比如太阳能路灯，交通信号灯. 工作控制产品的掉电后备电源等。 电动车启动电源、轨道车瞬间电流保持、汽车发电机启动电源等。 各种功率补偿及瞬间大电流放电的设备场所。
超级电容选择标准：
对于超级电容的选择，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量;另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。
以下基本参数决定选择的电容器的大小：
1、最高工作电压;
2、工作截止电压;
3、平均放电电流;
4、放电时间多长。
超级电容器和电池的选择方法
超级电容与电池比较有如下特性：
a.超低串联等效电阻(LOWESR)，功率密度(PowerDensity)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上)。
b.超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。
c.可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。
d.免维护，可密封。
e.温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。
f.超级电容可以串并联组成成超级电容模组，可耐压储存更高容量。
具体选择方法：
★ 建筑工地塔吊标语
★ 塔吊租赁合同
★ 塔吊司机承包合同范本
★ 关于塔吊买卖的合同范本
★ 塔吊使用前的注意事项有哪些？
超级电容直流电源 第3篇
1 蓄电池直流操作电源系统主要问题
在航空、电网、医疗、铁路、工业等领域, UPS不间断电源作为直流系统后备电源, 在供配电网系统发生突然停电或者电压瞬时跌落过程中的稳定供电电源, 对确保整个直流供电系统安全稳定、准确可靠的供电方面具有较大的应用价值。目前, 直流操作电源系统中普遍采用反复充电蓄电池作为后备电源, 也就是说蓄电池后备直流操作电源系统是用蓄电池来完成储能, 当交流电正常且整流器完好时, 蓄电池会通过对应整流装置和放电电路提供相应电流来补充电网系统中冲击负荷的影响, 确保直流系统供电安全可靠性;另外, 当交流电源突然停电或整流装置发生故障后, 蓄电池会通过放电回路向重要负荷、事故负荷、以及冲击负荷等停电保护等级较高的负荷提供直流电能资源。以蓄电池为储能元件的直流操作电源在很多工程领域中得到广泛应用, 同时也发挥较为良好的应用效果。但实际工程应用中发现, 很多蓄电池生产厂商为推销密封铅酸蓄电池, 均在设备外壳上加上了“免维护”等标识, 这给实际UPS直流电源系统维护工作人员带来许多误区, 加上现场蓄电池维护较为繁杂, 维护不方便, 这就导致工作人员在实际工作中放松了对蓄电池的日常维护管理工作力度, 如密封铅酸蓄电池没有按照相关规定要求进行活化试验、蓄电池运行环境温度变化较大、以及使用过程中出现充放电电流过大、带感性负载等。由于UPS不间断直流系统在使用过程中, 充电蓄电池存在管理不善等问题, 随着使用时间加长, 极板活性物质出现大量脱落, 容量也大大下降, 其输出能力大大降低, 有的甚至不能满足断路器合闸等保护控制要求, 直接影响到UPS直流电源的使用性能水平。从大量统计数据资料表明, 目前12V系列铅酸蓄电池其平均使用寿命大约只有3~4年, 因此, 直流UPS不间断电源的供电安全可靠性问题值得进一步加深研究[2]。
2 超级电容代替蓄电池的可行性分析
目前, 工程中应用的超级电容器主要包括EDLC双电层电容器和电化学电容器两大类。其中, EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能电子元件, 其多孔化电极主要采用活性炭粉和活性炭纤维, 而且电解液则采用有机电解质, 整个储能性能相当优越。EDLC超级电容器在工作时, 其可以在可极化电极和电解质溶液间界面上形成了双电层中聚集大量的电容量, 从而提高电容器的电荷储存效率。EDLC超级电容器具有极大的电容量, 同时可以储存很大的静电负荷, 也就是说EDLC超级电容器其储能性能是介于常规电容器与化学电池间的新型高效储能元件。超级电容与常规铅酸充电蓄电池间的特性比较如表1所示。
由表1可知, EDLC超级电容与常规铅酸蓄电池相比, 其不仅具有材料无毒、环保性好、使用寿命较长、对使用环境要求较低、以及可提供大电流充放等优点, 同时其还具有真正免维护性能, 在直流操作电源事故负荷较小或特性指标要求不是太高的工程领域, 其工作性能完全可以代替常规铅酸蓄电池作为直接UPS不间断电源的储能设备, 以提高UPS不间断供电电源系统运行安全可靠性, 减少常规铅酸电池UPS点烟系统定期维护麻烦和提高使用环境适应性能。
3 基于超级电容器组的不间断电源设计
由于EDLC超级电容在生产制造等过程中, 会造出其内部参数存在不一致问题, 这就可能导致UPS电源在充放电过程中, 由于内部参数不一致引起超级电容器工作电压发生不平衡, 严重影响到整个UPS电源系统的供电安全性、可靠性、供电电能质量和使用寿命。因此, EDLC超级电容在使用过程中, 需要对其进行均压处理。基于EDLC超级电容的直流U PS不间断电源系统, 其主要由电源切换电路、逆变整流器、蓄能控制电路 (充放电电路) 、超级电容器模组、嵌入式处理器测控电路等共同组成, 其逻辑组成方案如图1所示。
3.1 充电电路
对于EDLC超级电容器组的充电控制, 采用先恒流后恒压的充电策略, 即当EDLC超级电容器未达到额定电压值前, 采用恒流充电方式;而当电容器充电达到额定电压值后, 则改为恒压浮充方式, 这样可以有效防止电容器组中的单个EDLC超级电容器由于出现过充而造成整个损坏, 同时可以补偿由于电容器EPR等效并联电阻引起的运行能量损耗。由于EDLC超级电容器自身性能的影响, 其所形成的UPS电源其功率通常较小, 充电电路拓扑结构可以采用正激变换器方式。为了满足上述性能指标要求, 基于EDLC超级电容器的直流UPS不间断电源系统, 其充电电路采用电流型PWM控制芯片 (此处采用TL 384 4控制芯片) , 来构成充电电路的电压、电流双闭环反馈控制系统。
3.2 放电电路
在图1中, 当外部供电电网出现突然断电或电压低于设定运行范围值时, 则要求UPS电源向特殊负载恒压放电提供直流电能资源, 即EDLC超级电容器组通过放电电路对负载进行恒压放电。虽然EDLC超级电容器其比功率较大, 但由于其能量密度较低, 即:当放电电流较大时, UPS电源中能量损失较快, 导致EDLC超级电容器两端电压下降较快。因此, 为了提高UPS电源的放电性能, 要改变EDLC超级电容器的占空比来提高放电性能, 以维持UPS电源输出电压的恒定。放电电路的控制芯片采用TL 384 2芯片, 采用峰值电流控制模式方式。基于EDLC超级电容器的直流UPS电源系统的放电电路如图2所示。
3.3 测试分析
为了验证基于EDLC超级电容器的直流UPS不间断电源的工作性能, 结合图1~3制作了一台功率为100W的试验样机, 其主要性能参数为:UPS电源交流输入电压范围 (市电电压的±20%) , 即:AC176V~264V;UPS电源直流输入电压 (超级电容器组的端电压) , 按照直流电源输出电压波动范围要求, 即:DC6V~15V。当外部供电电网电压低于AC176V或出现突然断电等状态时, 直流UPS不间断电源其输出电压应恒定为:DC (240±10) V, 其掉电持续稳定供电时间为3min。经相应容量计算, 选用6个EDLC超级电容进行串联形成超级电容器组, 并按照冗余设计要求采用2组这样的串联支路进行并联组合, 形成UPS电源超级电容器组储能单元。当外部供电电网电压低于AC176V或出现突然断电, 由EDLC超级电容器组组成的直流UPS电源其输出直流电压波形。
基于EDLC超级电容器的UPS电源系统, 其输出稳压精度较高, 电压纹波很小, 验证了EDLC超级电容器代替常规铅酸蓄电池的可行性。有测试结果可知, EDLC超级电容器不仅可以进行能量储存和断电或电压瞬降提供直流能量外, 还可以平滑U PS电源的输出电压, 使得输出电压始终稳定在一定范围内, 确保直流系统运行的可靠性和稳定性。
4 结语
用EDLC超级电容代替常规铅酸蓄电池作为直流UPS不间断电源的主要储能设备, 可以有效提高UPS电源的供电可靠性和使用寿命, 能够有效解决常规铅酸蓄电池自身存在的环保、维护等问题, 有效提高了直流电源系统运行的安全性、可靠性、可维性、以及适用性。
参考文献
[1]张慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京:中国科学院电工研究所, 2006.
超级电容直流电源 第4篇
一、教学目的
1．通过实验和例题的计算理解在直流电路中加入电容器对电路的影响。2．学会利用比较的方法来判断电路动态变化问题。
二、重点和难点
1．重点：含电容电路的计算。
2．难点：①稳定状态下，电容支路上的电阻无电压降；②对电容充放电过程的理解及充放电量的计算。
三、教具
电流表，电压表，三个电阻，电容器一个，开关一个，干电池两节，导线。
四、主要教学过程
（一）引入新课
复习直流电路的相关知识。
2．电阻串并联的基本特性。
练习：如图，R1=4Ω，R2=6Ω，R3=3Ω，E=10V，r=0。
如果把R3支路加上一个C=30μF的电容器，又会怎样？为此，我们来复习一下电容器的有关知识。
2．能充上电的条件是电容器接在与其有电势差的电路上。电路有变化时，如电路中S打开、闭合时，我们怎么去讨论？
（二）教学过程 例1．如图，求：（1）闭合开关S，求稳定后通过R1的电流；
（2）将开关S断开，求这以后通过R1的总电量。分析：
（1）S断开状态：（目前状态）
提问：①电势的高低情况；②电流的情况；③电容器极板带电情况。请学生逐一回答。在图上用不同颜色的粉笔标明电势的不同。
问：进一步提问，为什么这样？R1两端的电势是否相同？
答：R1两端电势相同。因为没有构成回路，所以电路中各处电流强度均为零，所以可画出等势的情况及带电情况。
问：为什么电流强度为零？
答：因为有电流的一个重要条件就是有电势差。必须明确的一点：
在电路刚接上时，相当于把电容器接在了电源上，即有一定的电势差，所以此时有瞬时的电流，当储电完毕时，不能再往里装电荷了，所以不再有电流。这样，就可得刚才得到的结论，前提是S断开达到稳定状态时。
此时Uc=E=10V U1=0V。
闭合开关会出现什么现象？
提示：电容器带电量发生了变化，由此我们可以判断电流的情况？请学生分析。
此时，形成了闭合回路，稳定后Uc=UR2=6V，即R3、C支路可视为断路。U1=4V，也就是说电容器的带电量减少了，它要放电，有一系列的调整过程，最终达到稳定，再次画出等电势的情况
Q=CUC=CU2=3×10-5×6=1.8×10-4C
（2）再将开关断开，会出现什么变化？
肯定会有电量的改变，但最终稳定后，又相当于将电容器接在了电源上，与开始分析的那个状态是一致的。Q′=CU=CE=3×10-5×10=3.0×10-4C 问：电量增加了，谁提供的？
答：应是电源提供的，多出的电量均从电源通过R1提供，充完电后，又无电流。故断开S，通过R1的总电量为ΔQ=Q＇-Q=l.2×10-4C 提问：R3对计算有无影响？
答：没有，因为稳定后无电流流过该支路，所以UR=IR3=0。是不是这样，可以用一个实验来看看。介绍实验电路图：
这个电路与例题中的电路差不多，只是把R3换成一电流表，充当一个电阻，R1、R2换成灯泡L1、L2。
操作及观察到的现象：
1．电路连接好，打开S，把C再接入，会看到电流表指针向右偏一下，说明有瞬时电流，属于充电过程。2．接通S，电流表指针向左偏，然后回到零位置，L1、L2灯亮，说明电容器放电，再用电压表连接两表笔，分别测UAB，UBD，会发现UAB=UBD，说明A、B点等势，也就是说，电路中接不接R3，在计算电量时效果是相同的。
3．断开开关，现象是电流表指针向右偏说明电容器又被充电，进而也可知电容器两极板间的电压在增大。小结：
1．充放电是一个动态变化过程，求电量的增量只需找两个稳定态，则ΔQ=Q前-Q后
2．两极板间如果电压增大，则电容器被充电；两极板间如果电压减小，则电容器被放电。
以上研究的是极板上电量的变化，那么如果是平行板电容器，充电后，则在两板间存在一个静电场，可以利用该电场使带电粒子加速或偏转。
例2．如图所示电路，平行板电容器极板水平放置，今有一质量为m的带电油滴悬浮在两板之间静止不动，现要油滴向上运动，可采用的方法是______。
分析：该电路图可以改画成如下形式：
问：由题目给的已知条件，可以知道些什么？ 答：因为油滴静止不动，故qE=mg 由电路情况可知，两极板带电情况为上+下-（画出等势部分），所以油滴带负电，还可以知道UC=UR4 问：电容器取下，对电路有无影响？
答：没有影响，因为此电路稳定后可视为断路。问：现要使油滴上移，实质上是要判断什么？
答：因为油滴受两个力，而mg恒定不变，所以只需qE↑，而最终是要R4两端电压增大。请同学分析，若R1增大，结果如何？ 在学生回答同时，给出关系图。
R1↑→I↑→UCD↓ICM↓→IMD↑→UMD↑→UMC↓ 还有没有其它可行的方法？
最终答案：R1↓或R2↑或R3↓。
（三）课后小结
今天这节课我们所研究的是含有电容器的直流电路，对于电容器的作用可从两方面来说：①利用其电场；②利用电容器对电路的某种调节作用。当电路某部分变化时，电路中的电流往往也会随之变化，且是很复杂的，我们无法研究这个过程中的细节问题。研究它的方法，我们只能采用抓住稳态过程进行对比，来判断其变化。如果要计算实际的量值，不妨就把有电容器的支路视为断路再计算，这样不会影响其结果。
五、说明
超级电容直流电源 第5篇
一、设计目标
按QQ电动汽车平均时速60公里, 2万Wh电能, 足以满足5, 000W主电机3～4小时运行需要, 总里程将达180～200公里, 完全能实现电动汽车一次冲电行程达150～200公里的设计目标。
二、驱动电源模组设计方框图 (超级电容器汽车)
三、驱动电源模组
从图1中不难看出本模组是由超级电容组、主变压器、功率管、整流器、计算机、跟随器、恒流源、驱动器、额流圈, 电容等部分组成。
驱动电源模组简要工作原理是:主变压器与驱动器 (IGBT或大功率MOS管) 、计算机和超级电容组成了一个变频电源主回路, 通过整流器、稳压电容向电动汽车主电机提供所需的直流稳压电源。另一方面, 计算机通过超级电容、恒流源和稳压电容、采样电路、线性放大分别检测比较超级电容电压变动和主电机电压变动, 实时进行变频脉宽调节, 从而实现超宽幅稳压的目标, 即任超级电容电压宽幅变化和负载较大动, 驱动电源仍能向主电机提供恒定的工作电压。
四、各部件的主要要点
超级电容组:是电动汽车动力能源的重要储存器件, 它用400个单体容量2万法拉、2.7V的超级电容, 20个串联成一组, 形成10组, 然后并联成工作电压60V, 总容量1万法拉的超级电容组, 总重量达250～300kg, 总造价12万元, 如果将一次行程改为100公里, 造价可降至6万元。
主变压器:是提供主能量的主要传递器件, 而磁芯材料频响越高脉冲变压器的体积可做得越小, 同时线圈可以减少匝数加大截面积, 减少电阻内损。因此要采用频响较高, 高效的磁材料, 目前主变压器采用的有铁硅铝, 铁镍钼, 铁粉芯, 非晶材料等磁芯材料。
功率管:是主变压器的高频开关, 要根据不同的磁材料采用对应的开关频率, 选择具有速开关能力的功率管可以满足这一需要。
整流管:是提供高频整流开关, 整流管的正向电压要求越小越好, 反向电压要求越大越好, 变压器次级脉冲通过整流对电容充电, 形成前级直流。
稳压电容:是由扼流圈与电容组成前级直流通过扼流圈, 电容形成输出电压。扼流圈采用高储能材料, 可以保证整流的效果, 2级电容进一步平滑电压, 提高输出的质量。
计算机:计算机根据要求提供脉冲, 采集输出电压的变化量, 自动改变脉冲的频率, 判断输出电压的正确与否, 过压, 过流进行限制, (+ —) 键提供电压微调。
跟随器:在升压的电路里起到给计算机提供反馈电压用, 其稳定性和可靠性要求高, 该电路决定输出的质量。
驱动器:大功率管可采用IGBT或大功率MOS管, IGBT控制简单但是频率低, 效率相对低, 大功率MOS管频率可以非常高, 内阻非常小 (mΩ) 级, 效率可以做的高, 采用CMOS管时必须对其驱动, 驱动器的频响可以决定整个电源的效率, CMOS管的开启关闭时间又短又好。
恒流源:提供整机标准电压, 计算机, 放大器, 驱动器, AD转换。
五、结语
按照以上设计思路, 经过道路试验基本达到了预期的目标。超级电容器作为动力源, 未来具有很大的发展潜力。但是未来在能量回收、总体电源管理方面还需要进行改进。
参考文献
[1].曹林, 周盈科, 陆梅, 力虎林.纳米氧化钴的制备及其超电容特性[J].科学通报, 2003
超级电容直流电源 第6篇
配电网自动化是实现故障快速定位、隔离以及供电恢复,从而提高供电可靠性的重要手段,也是智能电网的重要组成部分[1,2],而配电自动化终端装置是实现配电自动化的基础环节[3],一般在户外运行,其中的电源不仅要对自身进行供电还要对通信模块及控制回路跳、合开关的储能回路等[4]进行供电。当馈线环路出现永久性故障时,环路出线开关保护动作跳闸,导致馈线全线停电,这时配电自动化终端、通信设备、一次设备开关的操作都要求不间断供电。因此,提供可靠的不间断电源是配电自动化终端开发设计中首要考虑的问题。传统配电自动化终端的直流电源通常采用蓄电池储能以实现不间断供电,但蓄电池存在使用寿命短、功率密度低、放电性能受温度影响、充放电电流不能太大等问题[5,6,7],因此,对于要求长寿命和高可靠性且环境恶劣的应用场合,使用蓄电池作为储能元件就存在许多局限。
近年来,超级电容器SC(Super-Capacitor)作为一种新兴的储能设备,与蓄电池相比,具有存储能量大、充电速度快、循环使用寿命长、功率密度高、超低温特性好和绿色环保等诸多优点[8,9,10],更适合应用于需要瞬时提供大功率的场合[10,11],同时,将SC与蓄电池组合的混合储能技术,可发挥各自优势,已成为近年来的研究热点[12,13,14],并成功应用于电力系统[15,16,17,18]。
本文针对SC用作储能元件的不间断电源时所存在的问题,提出一种通过附加升压变换器,从而有效提升超级电容储能利用率的智能直流不间断电源方案,并将其应用于配电自动化终端单元中,从而提高配电自动化系统的稳定性和可靠性。
1 智能直流不间断电源系统的组成和原理
SC储能智能直流不间断电源系统主要由EMI滤波电路、AC/DC变换器、驱动电路、升压变换器、双向可控开关、SC、控制器、按键、电源状态显示及告警信号输出电路等构成,如图1所示。其主要原理为:输入单相交流经EMI滤波电路后输入AC/DC变换器,根据控制器发出的脉冲宽度调制(PWM)控制信息,输出满足要求的直流电压,一部分直流电压经过升压变换器为配电自动化终端提供稳定的输出电压;在控制器的作用下,双向可控开关正向导通,另一部分直流电压经双向可控开关为SC进行恒流限压充电,当充电到设定电压时,SC处于浮充状态。
当交流失电时,控制器检测到失电信号后,控制双向可控开关反向导通,SC通过双向可控开关放电,再经过升压变换器向配电自动化终端提供稳定的输出电压,以实现对配电自动化终端的不间断供电。同时,控制器向外部发出输入失电告警信号,并显示放电。当SC放电至欠压告警点时,控制器发出欠压告警信号,并显示欠压;当SC放电至设定的最小工作电压时,系统停止为配电自动化终端供电。
正常工作期间,升压变换器的开关处于关断状态,AC/DC变换器的输出直接向配电自动化终端提供所需的直流输出电压,可减小开关损耗、提高效率。
通过按键可设定输出电压、输出电流、最大充电电流及电压和电流保护整定值等。智能直流不间断电源系统还可与配电自动化终端通信,通过调度中心可监控电源系统的工作状态。
在交流失电时,为了充分利用SC储能,所允许的最低工作电压应尽可能低,这样SC的电压将在很大范围内变化。因此,为确保交流失电期间,升压变换器的电气性能指标满足期望要求,升压变换器的设计尤为关键。下文将对升压变换器的参数设计、SC最低电压的确定及其容量的计算进行深入讨论。
2 SC的最小工作电压确定及其容量设计
2.1 SC的最小工作电压确定
SC的工作电压范围可从0到额定电压,为提高其储能利用率,本文提出引入升压变换器提升输出电压值,但随着电压的降低,其存储能量明显下降,且给升压变换器的设计也带来困难。因此,需要综合考虑各方面因素,确定SC的最小工作电压。
假设放电前,SC的初始电压为UM,最小有效工作电压为Umin,则根据电容存储的能量W=0.5CU2可得,由此造成的不可利用的剩余储能WS(称为“残能”)与其初始能量WM之比,即剩余储能比率ξ为:
根据式(1)可得,剩余储能比率ξ与归一化的电容电压关系如图2所示。
由图2可见,WS并不随着Umin的减小而线性减小。当Umin下降到一定程度后,WS的减小变得很平缓,因此没有必要将Umin设计得太低。由图2可知,一般可以取Umin=0.5 UM,此时,对应能量利用率已达75%(剩余储存能量比率仅25%)。
2.2 SC的容量设计
假设在直流不间断开关电源中,失电后SC需要提供的功率为Po(输出电压Uo和电流Io的乘积),变换器的转换效率为η,需要维持的时间为TW,则失电后,SC应提供的能量为:
根据2.1节的分析,由于受到剩余储能比率的限制,SC放电可提供的能量应由初始电压UM和有效最小工作电压Umin决定,即SC可提供的能量为:
根据能量守恒,应有W1=W2,则由式(2)、(3)可得:
因此,可根据式(4)选取SC的容量CSC。
3 升压变换器电感和电容的优化设计
为提高超级电容器储能的利用率,输入电压将在较大的范围内变化,因此,智能不间断电源系统中引入升压变换器的设计也就变得尤为关键。输出纹波电压是升压变换器的重要指标之一,影响输出纹波电压的主要元件是电感和输出滤波电容,因此,升压变换器的优化设计主要考虑电感和电容的设计。
3.1 升压变换器的输出纹波电压分析
升压变换器的组成如图3所示。
升压变换器工作于连续导通模式(CCM)与不连续导通模式(DCM)及完全电感供能模式(CISM)与不完全电感供能模式(IISM)的临界电感LC和LK分别为[16,17]:
其中,f为开关频率;d为开关的导通比;RL为负载电阻;Ui、Uo分别为输入和输出电压。由式(5)和(6)可知,由于d<1,因此LK>LC。因此,可将升压变换器划分为3种工作模式:①CISM;②不完全电感供能且连续导通模式(IISM-CCM);③不完全电感供能模式且不连续导通模式(IISM-DCM),如图4所示。
升压变换器工作在模式①、②、③时的输出纹波电压UPP分别为[19,20]:
假设升压变换器的输入电压变化范围为[Ui,min,Ui,max],负载电阻范围为[RL,min,RL,max],则在整个动态范围内,对应CISM与IISM的最小临界电感LKA为:
在整个动态范围内,根据电感的不同取值,在电感L轴上,可将升压变换器的工作区域分成5个区间,如图5所示。其中,LKC为整个动态工作范围内的最大电感。
通过对5个区间的最大输出纹波电压进行分析,在整个动态范围内,当L≥LKA时,升压变换器的最大输出纹波电压在Ui=Ui,min、RL=RL,min时取得极小值为:
可见,只要L≥LKA,则最大输出纹波电压的极小值与电感无关,这即是选择电感和电容的依据。
3.2 升压变换器的电感设计
对于升压变换器,一方面,通常不宜将输出功率较大的工作范围设计成IISM-DCM,因为对于相同的平均输入电流,IISM-DCM的峰值电流较高,在较大的输出功率时,开关器件上的电流应力将很大。另一方面,要使变换器在整个动态范围内工作在CISM,其UPP最小、开关器件上的电流应力也较小,但由式(6)可知,电感的设计必须满足:
显然,此种情形下电感取值很大,将会影响变换器的动态性能和体积。所以,电感的设计值应该满足L<LKC。
升压变换器的设计通常以在整个动态工作范围内UPP的最大值为依据。根据前文的分析可得,当L≥LKA时,升压变换器的最大输出纹波电压极小,且最大输出纹波电压的极小值与电感无关。所以,在给定的输入电压和负载变化范围内,最小负载电阻和最低输入电压所对应的临界电感LKA,即为在整个工作范围内,使得最大输出纹波电压极小的最小电感,即电感的最佳取值为:
3.3 升压变换器的输出滤波电容设计
通过分析输出纹波电压,根据式(11)可知,电容的最小理论值为:
由于电容存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL),为达到期望的电压纹波水平,在设计输出滤波电容时,必须引入适当的裕度系数λ,即:
通常,λ的取值为2~4。
4 应用实例及实验结果
根据馈线终端装置(FTU)的性能指标要求,设计一台采用升压变换器及SC储能的智能直流不间断电源系统,其交流输入电压为220±44 V,升压变换器输出为24V/1A,输出纹波电压UPP=24×2%(V)=480(m V),失电后系统还能维持工作15 min(900 s)。
4.1 SC的容量设计
根据上述技术指标可得:Uo=24 V、Io=1 A、TW=900 s;假设升压变换器的转换效率为η=85%,SC的初始电压UM=24 V,根据2.1节分析,选取Umin=0.5 UM=12 V。因此,由式(4)可计算得到SC的容量CSC≈117.6 F,本例中取SC容量为120 F(电压为27 V)。
4.2 升压变换器的电感和电容计算
对于升压变换器,根据上述指标和参数可得:Ui=12~24 V、Uo=24 V、Io=1 A,则RL,min=24Ω,Ui,min=12 V。本例中,升压变换器的工作频率f=100 k Hz,则根据式(13)、(15)计算可得:电感的最佳取值为LOPT=LKA=30μH,输出滤波电容的容量为C=31.5μF(λ=3)。本例中,输出滤波电容的容量取为33μF。
4.3 实验结果及验证
a.升压变换器的工作模式验证。
为了验证变换器存在3种工作模式,取电感值为60μH、25μH、10μH,分别对应CISM、IISM-CCM和IISM-DCM,其输出电压和电感电流波形分别如图6(a)、(b)和(c)所示。
从图6可看出:对于给定的负载、电容和开关频率,升压变换器将因电感的取值不同而工作于不同的模式,输出电压的纹波也会有显著区别。开关关断期间,在CISM(L=60μH>LKA=30μH)时,由于电感电流iL一直大于输出电流,所以电感给电容充电,输出纹波电压上升,直到下个开通周期到来才开始下降,如图6(a)所示;在IISM-CCM(L=25μH<LKA=30μH)时,开关关断期间,输出纹波电压在电感电流iL下降到小于输出电流时就开始下降,如图6(b)所示,此时输出纹波电压随着电感的减小而增加;在IISM-DCM(L=10μH)时,开关关断期间,电容电压在电感电流iL下降到小于输出电流时就已开始下降,所不同的是需要经历iL=0的下降段,如图6(c)所示,所以此时的输出纹波电压最大。
b.升压变换器滤波电感的优化设计验证。
为了验证电感优化设计方法的正确性,令电感取值范围为5~60μH,负载和升压变换器的取值组合分别为:RL=24Ω、Ui=12 V;RL=24Ω、Ui=18 V;RL=72Ω、Ui=12 V;RL=72Ω、Ui=18 V。对应的UPP分别如图7所示。
从图7中可以看出,当变换器工作在CISM时,UPP与L无关。而当L的取值大于相应负载电阻和输入电压所对应CISM和IISM的临界电感时,其UPP最小。且当电感L>LKA=30μH(本设计取为39μH)时,升压变换器的最大输出纹波电压约为350 m V(小于480 m V),达到设计要求。
可见,最小负载电阻和最低输入电压所对应的临界电感,就是使得最大输出纹波电压极小的最小电感,且其极小值与电感无关,实验结果与理论分析相符。
c.电源的失电维持时间验证。
首先采用电阻器作为负载模拟待机实验,测试待机时间。
当系统上电进入稳定状态后,测得SC的电压UM=24.3 V,调节模拟电阻器使升压变换器输出电流为1 A。然后切断输入交流电源,开始计时,电容开始放电并维持正常输出,直到输出关断,测得电容终止电压为11.9 V,待机时间为912 s。
理论计算待机时间应为953.9 s,但实测升压变换器效率为85.5%,并考虑到双向可控开关也会产生损耗,因此,912 s的待机时间已达到了设计要求,与理论计算基本相符,说明了本文设计方法的正确性和可行性。
4.4 在配电自动化终端中的应用
采用该电源为GH-F30型FTU供电,断电后的待机时间可达1 543 s(超过25 min),说明所设计的基于SC的不间断电源完全可用于FTU。
通过FTU可将SC的工作电压、电源的输出电压、工作状况等信息以通信的方式传到配电调度中心,使得用户在远端即可对SC的工作状态进行实时监控。用户还可在调度中心对SC的充、放电电流或电压进行设定。基于该智能直流不间断电源的配电自动化终端产品已在现场广泛应用,效果良好。
5 结论
采用SC作为储能元件的智能直流不间断电源,可在失电情况下,使配电自动化终端实现不间断供电。通过采用升压变换器,可最大限度地降低SC的工作电压,提高SC储能的利用率,延长失电情况下的待机工作时间。但考虑到SC所存储能量随着电压的降低呈指数衰减,因此,其最小工作电压设定为初始电压的一半较为合理。根据断电后所要维持的输出功率及所期望的待机时间,提出了一种SC容量的设计方法。
在整个动态工作范围内,升压变换器存在一最小电感,即最小负载电阻和最低输入电压对应的CISM和IISM的临界电感,只要电感取值大于该最小电感,则升压变换器的最大输出纹波电压极小,且其极小值与电感无关,据此,得出了电感及输出滤波电容的优化设计方法。
应用实例及实验结果说明:利用所提出的设计方法及方案所研制的智能直流不间断电源,可满足配电自动化终端供电电源的各项性能指标要求。在调度中心即可对SC的充、放电及电源的工作情况进行实时监控,操控方便。
摘要：为解决现有配电自动化终端电源存在使用寿命短及维护困难的问题,提出了一种基于超级电容器(SC)的智能直流不间断电源方案。采用升压变换器降低超级电容器的工作电压,从而提高电容器储能的利用率,延长失电情况下电源的待机工作时间;根据超级电容器最小工作电压与剩余能量的关系,确定了超级电容器最小有效工作电压;根据变换器的期望输出功率、失电待机时间及超级电容器的最小工作电压,确定了超级电容器容量;通过对升压变换器最大输出纹波电压进行分析,对其电感及输出滤波电容的进行了优化设计。实验结果验证了所提方案的可行性。
超级电容直流电源 第7篇
高能镍碳超级电容器是天津市与中国工程院院士周国泰合作, 成功开发出的新型高性能电容器产品。经天津市科委组织成果鉴定, 超级电容器具有能量密度大、功率密度高、充放电效率高、高低温性能好、循环寿命长、安全环保、性价比高等诸多特点, 有效解决了国内电动汽车电源技术瓶颈问题, 达到国际先进、国内领先水平。这个项目的研发成功, 将推动我国超级电容器产业发展, 对抢占世界新能源汽车科技制高点、缓解国内能源紧张有重要作用, 在电动汽车和储能电站中将具有明显的竞争优势。
高能镍碳超级电容器是一种新型动力电源, 这一产品结合镍氢电池能量密度和电容器功率密度, 循环寿命达到5万次以上, 使用温度可达零下40摄氏度至零上70摄氏度, 对环境不产生污染。
2010年, 天津市政府引进中国工程院院士周国泰少将领衔的科研团队, 在解放军军事交通学院建成的超级电容实验室, 合作开发新型动力电源产品。周国泰院士是我国军民用功能服装材料和士兵个体防护研究领域的知名专家, 在防弹装备、特种防护服装和防寒保暖材料研究等方面, 取得了多项成果。先后主持研制防弹背心、防弹头盔, 解决了防弹材料及防弹结构体复合成型、树脂基体合成等一系列技术关键, 研究成果居国际先进水平。周国泰率领的研发团队采取综合性能平衡设计思路, 提出了一种“内并式”超级电容器结构方案, 将活性碳材料引入镍氢电池负极, 使超级电容器与电池结合为一体, 开发出高能镍碳超级电容器, 取得了纯电动车动力电源领域的重大突破。经在纯电动大客车、轿车上实验均取得满意的效果。目前, 产品中试已经完成, 即将投入批量商业化生产。
周国泰院士称:高能镍碳超级电容实现了两个突破和五个优点:
第一、在加大材料的比表面积上实现突破。
电容是靠比表面积存储电荷, 其优点是可无数次充放电, 而且不发热。储电量的大小由其内部比表面积大小而决定。超级电容器就是在研发出新材料的基础上, 尽可能地扩大比表面积, 使储电量大幅增加。
第二、超级电容在正负极的材料结构上获得突破。
优点是储电量大, 由电能转化成化学能, 再转化成电能释放出来, 其比功率比传统电容高得多。高能镍碳超级电容在结构上实现了电池和传统电容的内并, 实现了电池和电容的优点兼备。
五个优点是:
第一、安全可靠。
传统锂离子电池存在安全隐患。由于有机电解质的特性, 锂离子电池存在易燃、易爆的危险, 一旦发生短路, 就会燃烧或者爆炸, 杭州、上海曾发生的电动汽车自燃事件, 就是因为锂离子电池的原因。而超级电容器根本不存在这个问题, 实验人员将充满电后的高能镍碳超级电容用射钉枪打, 故意使其短路, 但电池没有任何反应。实验人员又将其放到火上烧, 不锈钢外壳快烧红了, 也没发生爆炸。
第二、充电速度快。
锂离子电池充电最大电流为300A, 一次充电需要6—8小时, 因为充电时间过长而使用户觉得非常不方便。高能镍碳超级电容可使用1500A甚至3000A大电流充电, 单块充满电只要几秒钟, 上百块串联在一起充电, 6分钟即可达储电量90%以上。
第三、可瞬时大电流放电, 使用寿命长。
锂离子电池充放电的标准是2000次, 使用寿命短。高能镍碳超级电容器可大电流充电, 瞬间大电流放电, 这对汽车瞬时加速极为有利。一块电池充放电可达5万—50万次, 充放电的国家标准是5万次。
第四、成本低。
锂离子电池成本7万元, 充电2000次, 每充电1次按行驶100公里算, 20万公里就要更换电池。高能镍碳超级电容器, 按充电1次行驶100公里算, 可充放电5万次, 甚至可达10万次、50万次。高能镍碳超级电容器的价格不高于锂离子电池。
第五、节能环保。
高能镍碳超级电容器使用寿命到期后, 可以将其回收, 对电容材料进行再激活处理后还可以再次使用。整个生产过程, 不产生废水、废气, 没有污染排放。
刘铁男代表国家发改委对超级电容器研发取得突破性进展表示祝贺。他说, 开发新能源、提高能源转化使用效率, 是保障能源安全的重要手段。超级电容器的成功研制, 将增强我国在动力电源和新能源汽车等领域的国际竞争力。国家发改委要给予政策支持, 进一步做好服务, 促进科研成果实现产业化。天津市科委主任赵海山说, 高能镍碳超级电容器研制成功, 使我国有望在动力电源和新能源汽车等战略高技术领域的国际竞争中取得竞争优势。据业内专家称, 高能镍碳超级电容器不光是解决电动车的全新电源, 还能军民两用, 解决国防军事急需的新能源, 在潜艇、航天, 新型飞机、导弹上都可应用。
新型超级电容 第8篇
美国科研人员制成了一种新型超级电容 (DLC, double-layer capacitors) ，只需200微秒的时间即可完成充电，并在交流电路的测试中获得了成功。超级电容(Supercapacitors)也称双电层电容器，是一种新型储能装置，能在几秒钟内完成充电，此外还具有容量大、功率高、使用寿命长、经济环保等特点，在数码相机、掌上电脑、新能源汽车等领域都有着广泛的应用价值。
新的电极整体由一组与底座垂直的石墨烯基片构成：石墨烯基片只有一个原子厚，由等离子体化学沉积而成;其基座由10纳米厚的石墨制成。实验显示，与原先的多孔化活性炭结构制成的超级电容相比，新电容效率更高，能在更短的时间内完成充电。
超级电容器及其光伏应用 第9篇
它常常用于负荷波动的产品, 如笔记本电脑, PDA, GPS, 便携式媒体播放器, 手持设备光伏发电系统中, 在这种场合超级电容器能稳定电源。
一个超级电容器的能量存储设备可以在90秒内完全充电。超级电容器提供动力的照相闪光灯的数码相机和LED手电筒, 可以在90秒内快速充电。2013, 采用超级电容器的便携音箱投放市场。
1 超级电容器的储能原理
1.1 分类
1.1.1 双层电容器
双层电容器最常用的电极材料是活性炭等各种形式的碳 (AC) , 碳纤维布 (AFC) , 碳化物衍生碳 (CDC) , 碳气凝胶, 石墨 (石墨) , 和碳纳米管 (CNTs) 。近些年来使用最为广泛的是碳纳米管。
碳纳米管 (CNTs) , 又称巴基管, 是一圆柱形纳米碳分子。他们由一个原子厚度的石墨烯形成的墙有一个中空的结构。碳纳米管可以存储电荷的活性单位面积碳纳米管的表面是相同的, 但有一个规律, 提供了更大的润湿性。单壁碳纳米管具有较高的理论比表面积为1315 m2/g, 而多壁碳纳米管的SSA较低, 由管和程度的嵌套的直径确定, 大约有3000平方米/克的活性炭的比表面积。然而, 碳纳米管具有较高的比活性炭电极的电容, 例如, 102 F/克多壁碳纳米管和180 F/克的单壁碳纳米管。
1.1.2 法拉第准电容器
法拉第准电容器采用金属氧化物或导电聚合物为特殊电极材料制成的超级电容器。主要使用电子导电聚合物作为电容材料。虽然机械弱, 导电聚合物具有高的导电性, 导致在一个低的ESR和较大的电容。这样的导电聚合物, 包括聚苯胺和聚乙炔。在电极面积相同的情况下, 法拉第准电容器的容量远高于双层电容器的容量, 可以是后者的10-1000倍。
1.1.3 混合型超级电容器
混合型超级电容器一极是形成双电层电容器的碳材料, 另一极是利用法拉第准电容器储能的金属氧化物电极。混合型超级电容器复合电极是由注册或沉积电容活性材料如金属氧化物和导电聚合物基碳材料。
碳纳米管为主干的金属氧化物或导电聚合物均匀分布, 产生了良好的电容和良好的双电层电容。这些电极比纯碳或纯金属氧化物或基于聚合物的电极达到更高的电容。这是归因于碳纳米管的缠绕垫结构, 它允许一个统一的赝电容材料和涂层的三维电荷分布。
另一种方法来提高碳纳米管电极, 主要通过在锂离子电容器掺杂的电容。在这种情况下, 相对小的锂原子嵌入碳层之间。正极采用锂掺杂碳, 阴极采用活性碳。这个结构可以在一个较大的电压下防止电解液氧化3.8-4。
1.2 超级电容的操作电压
一个5.5伏的超级电容器是由两个2.25伏单电池串联连接。
超级电容器是低压元件。安全操作电压要求保持在规定的范围内。最大额定电压是直流电压或脉冲峰值电压可以连续施加并保持在指定的温度范围内。额定电压包括安全边际对电解质的分解电压, 电解液的分解。击穿电压在亥姆霍兹双层分解分离溶剂分子, 如水可分解为氢和氧。溶剂分子并不能单独的电荷互相。超过额定电压产生氢气的形成或短路的高电压。
超级电容器在额定电压以下使用可以提高其电参数, 使内部循环电阻电容值更稳定、寿命和充电/放电周期更长。超级电容器的额定电压一般低于应用要求。较高电压的应用采用串联连接。由于每个组件具有电容和ESR值略有差异, 有必要积极或消极地平衡稳定电压。被动平衡采用电阻与电容器并联。主动平衡可能包括电子电压控制超过一个阈值不同的电流。
2 超级电容器的应用
超级电容器可以稳定电压了, 可以用于风力机变桨距系统的执行器的备用电源。风能和光伏系统表现出波动负载的情况, 超级电容器可以缓冲在毫秒诱发。这有助于稳定电网电压和频率, 平衡供应和需求。
超级电容器具有法拉第级的超大电容量以及超强的荷电保持能力, 且漏电流非常小, 8H电压下降率小于5%, 无需特别的充电电路和控制充放电电路, 充电迅速, 而且可以在仅高于其漏电流的状态下充电, 因此, 即使在阴天, 光伏电池也能对超级电容器充电;与蓄电池相比, 其过充、过放都不对其寿命构成负面影响, 可靠性高, 使用寿命长;此外还具有优良的温度性能, 可在-40—70摄氏度的温度环境中正常使用;可焊接, 不存在像蓄电池那样接触不牢固等问题。因此, 超级电容器是一种无污染的绿色电源。
太阳能庭院灯选用6个2.5V/150F组成5V/225F电容器模块。其单个电容器产品的尺寸为直径25mm, 高48mm。5V/225F超级电容器充电时间为2500S。
5V/225F超级电容器放电时间长达206975s, 电压才从5V降至0.6V。
3 结束语
对于超级电容的选择, 功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。超级电容器的输出电压降由两部分组成, 一部分是超级电容器释放能量;另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间, 在非常快的脉冲中, 内阻部分占主要的, 相反在长时间放电中, 容性部分占主要。
摘要：超级电容器, 又叫做电化学电容器或者双电层电容器, 是一种电化学电容器的总称。超级电容器和常规电容器和蓄电池之间有很大的区别。后者可以支持多达10000法拉/1.2伏, 高达10000倍的电解电容器, 但提供或接受不到一半的每单位时间的能量 (功率密度) 。相比之下, 而超级电容器的能量密度是约10%的常规电池, 其功率密度一般为10至100倍。这导致在更短的充电/放电周期比电池。此外, 他们会容忍更多的充电和放电周期比电池。本文主要研究超级电容器结构原理及其在光伏领域的应用。
关键词：超级电容,光伏,应用
参考文献
[1]冯垛生.太阳能光伏发电技术图解指南[M].北京:人民邮电出版社, 2011.
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