新型储能元件综述_超级电容及其应用

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1、述一糟新型储能元件综述一一超级电容及其应用作为一种新型的储能元件,超级电容器具有功率密度高、容量大、寿命长 、充放电效率高等优异特性 。本文综述了超级电容器的原理及特点,介绍了超级电容器的主要应用领域,并对电力电子技术在超级电容节能系统中的应用作了概述 。武汉理工大学自动化学院 周新民 孙 晖引,超级 电容器是近年来新型能源器件的一个研究热点,它与常规 电容器不同,其容量 可达 到法拉级 甚 至数万法拉 。作为一种理想的新型能源器件,具有内阻小,充放 电电流大,充放 电效率高一、循环寿命长 几万至十万次 、无污染等独特的优点 。它的比功率和 比能介于常规电容器和充电电池之间,在众多的应用领域里

2、弥补了常规储能器件的缺陷 。由于超级 电容充放 电快速,因此在需要短时提供大功率缓冲 、混合动力等系统中有着越来越多的应用 。超级电容的特性超级电容器一,又称为双电层电容器一、 黄金电容或法拉电容,是通过极化电解质来储能 。其储能的过程并不发生化学反应,并且这种储能过程是可逆的正因为此,超级电容才可以反复充放电。它可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应的活性 的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质 中的负离子,负极板吸引正离子,从而形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近 。但是它不同于传统的电容器 。传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材

3、料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积 。同时传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜 、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄 。而超级电容器的面积是基于多孔碳材料,该材料的多孔结构允许其面积达,通过一些措施可实现更大的表面积 。超级电容器的电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的 。该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小 。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统 电容器而言有惊人的静 电容量,这也是其“ 超级 ” 所在 。超级 电容器可以快速充放 电,峰值电流仅受其内阻限制,甚至短路也不是致命的 。其充放 电电流实际上决定于

4、电容器单体大小,对于匹配负载,小单体可放,大单体可放。另外,超级电容放电率的限制条件是热,反复地以剧 烈的速率放 电会使 电容器温度升高,最终导致断路 。耐压等级较高的超级 电容都是由耐压 规格较 小 的单体 经过 串并联 连接组成 。为了保证系统安全,各单体间的电压应保持均衡,超级电容进行充放电工作时各单体的 电流也应保持一致 。因此,超级 电容储能系统 中都会设置相应的均压均流电路板 。除了单体超级 电容的特性好坏,均压均流电路的设计也是关乎超级 电容系统性能的重要因素 。目前生产超级 电容的国外主要厂家有美国、 韩国、 韩国国内厂家主要有北京集星联合电子 、上海奥威 、锦州百纳等 。其中

5、国外品牌的电容特性,安全保护装置等方面具有其技术优势,而国内品牌的价格更为低廉 。当然,目前的超级 电容器产品也存在某些不足 。主要表现在,如果使用不当会造成 电解质泄漏等现象和铝电解 电容器相 比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路 。超级电容与其他储能公件 的对比与蓄电池相比,超级电容器有以下几点优势,。电容量大 。超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极,与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的表面积越大,则电容量越大 。因此,一般双电层电容器容量很容易超过,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了 到 个数量级,目前单体超级电容器的最大电容量可达。充放电寿命很

6、长,可达次 。而蓄 电池 的 充放 电寿命 很难超 过次可以提供很高的放电电流,如的超级电容器额定放电电流不低于,放电峰值电流可达,一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流,一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短 。充电迅速,使用便捷 。超级电容可以数十秒到数分钟 内快速充电,而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的 。电池 、超级电容和传统 电容都能储存 电能,但是它们储存 电能的原理不同 。电池是 电能和化学能的能量转换装置,通常称为化学 电源而超级电容和传统电容是物理 电源,它们储存 电能是靠静 电引力作用来实现的 。超级电容是在高度多孔状电极与束缚

7、态电解质的接触表面所特定的双电层来实现储能的,传统电容通常是通过平板 电极所带相异 电荷来实现储能 。因此,超级 电容储存的能量是同规格普通铝 电容的倍,是铅酸电池比功率的倍 。三者之间的性能对照关系如附表所示 。由于超级 电容系统往往由单体超级电容串并联组成,因此要制作耐压等级较高,容量较大的可直接应用于变频器上的超级电容,产品的体积也会比常规储能元件大很多 。如国内厂家北京集星生产的的超级电容储能系统柜尺寸达到了火。该柜体中超级电容由个单体串并联构成,包括附加保护电路 、检测显示系统 。超级电容的应用在传统的大型工业设备中,无论是交流变频系统还是直流系统,都存在着一定的能源利用不充分或能耗

8、浪费的情况 。特别在交流变频系统中,能耗 电阻的使用存在以下问题浪费能量,降低系统的效率电阻发热严重,影响系统的其他部分正常工作简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压,限制了制动性能的提高 制动力矩大,调速范围宽,动态性能好 。针对这一现象,广大科研工作者与企业开始越来越多的将超级电容应用到对传统设备的节能改造中去 。目前山东风光电子公司已经把带有超级电容能回馈系统的变频器推广到了矿山提升机,正常运行两年多,用户反映 良好 。当时对再生能的处理办法是回馈电网,当然可以节能,但由于电网波动大,再生能回馈时对电网有冲击,或者说对电网有一定程度的谐波污染 。处理再生能量的原始办法是耗能

9、电阻,这部分能被白白浪费掉,该 电阻容易烧坏且要求很大的散热空间 。为了提出对再生能盘更好的处理办法,系统附裹三种电化学储能器件的性能比较放 电时 间一一 一一 申帕口 比功率一 脚 充放电效率一日 能 聆聆聆聆聆聆聆聆聆争争二二二二二本本本本本本本本本月月月月月月月月月月月月月月月瑞瑞瑞瑞令旧旧旧粉曰曰曰曰曰曰门门 习习习习习匕匕匕匕 广广广广限日图,安川混合动力场桥系统原理图,。 。述,匕用超级电容器储能的办法来处理再生能,实用效果不错,已有多台这种设备正在矿山正常运行 。起重机在许 多行业有着广泛的应用,其工况特点是启动电流大 、操作频繁 、功率消耗和回馈大 。因此在起重机混合动力系统中

10、选择超级电容作为储能器件是合适的。作为世界知名企业,安川公司在近年来也一直致力于应用超级电容的混合动力系统的研究他们设计开发的混合动力场桥 见图,就是在变频器的直流母线上设了超级电容和相应的双向转换装,实现超级电容与内燎机共同为工作机构提供能。与传统系统相比,大大减少操作过程中的能然料的同时,减少了的尾气排放,还降低了发动机的噪音和发动机的启动时间系统节能在以上 。在民用方面,超级电容的最新应用是超级电容公交车 。这项技术主要利用超级电容功率密度大,充放电时间短,大电流充放电特性好,寿命长,低温特性等优点,在电动车上加人超级电容器作为储能器件代替原有的有缆电车 。在城市市区运行的公交车,其运行

11、线路在以内,以超级电容为唯一能源的电动汽车,一次充电续驶里程可达以上充电时间一,在城市公交有广阔的应用前景 。哈尔滨工业大学于年研制成功一款超级 电容 电动车,一次只需充 电便能连续行驶,最高时速可达,这项技术 日前通过了黑龙江省科技厅组织的专家鉴定 。目前,这项研究在以电容为能源的电动车连续行驶里程 、最高车速等方面达到先进水平 。另外,超级电容由于储能可以快速释放,能应用于短时需要提供大功率的负载,如军事上的发射装置等 。超级电容节能系统中的电 力电子技术目前,超级电容在起重设备上应用的关键在于合理的能量管理系统 。由电力电子器件构成的双向转换器解决了超级电容与传统设备直流母线之间的接口问

12、题 。双向转换器 见图的设计与开发,主要又包括了电力电子电路拓扑结构的设计和超级电容充放 电控制策略的优化 。荡和损耗等问题 。国内外不少学者对双向变换器的研究大多集中在控制策略和软开关实现方面,拓扑结构方面基本上采用上面所述的两种型式,即直接型采用、电路,隔离型采用全桥电路。结束语本文介绍了新型储能元件超级 电容的主要特点,比较分析了它对比其他储图双向变换器原理圈双向变换器的拓扑结构主要有两种型式直接连接型和变压器隔离型 。直接连接型的主要特点是电路结构简单,目前应用得较多 。以高压侧作为输人时,其工作原理与普通的电路完全相 同如果以低压侧作为输人时,则与。 。 电路无异 。这种电路工作时利

13、用另一只开 关管的反并联二极管作为 续流元件,结 构简单,元件 的利用率 高,但 是输人 、输 出侧 没有 电气隔离 。当电路作工作时,由于二极 管在 电流 比较大 的情 况下 承受反压 而关断,因此二极 管 的反 向恢复 电流 比较大 。开关元件实现软开关困难,开关损耗大 。变压器隔离型双向变换器是在单向全桥变换器的基础上发展而来的 。与单向全桥变换器类似,实现零电压开关主要利用变压器的漏感 、串联电感或饱和电感等元件,以扩大实现软开关的范围 。但是,附加电感的存在会导致损耗增大 、效率降低,以及由反向恢复引起的副边整流二极管的电压振能器件 的优 势 。然后,介绍 了超级 电容的应用情 况 。最 后还 对超级 电容应用 中的 电力 电子技术进 行 了概 述 。由于超级 电容的优势,在绿色环保 、清洁能源 、混合动力等众多领域,超级电容 的应用 会越来越 多 。可 以预见,更多的超级 电容系统的应用,必将推动超级 电容器的性能价格 比的不断提高同时也使其应用领城不断拓宽,前景更加光明 。作,简介周新民一男副教授,年毕业于华中科技大学船舶及海洋工程系船 电专业 。主要研究方向网络控制技术 、电力电子技术 、工程机械混合动力技术 。,考文献略下 。 。