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超级电容模组

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  1 前言
  2 超级电容模组介绍
  3 汽车动力市场的运用
  4 汽车动力里程碑
  5 二元动力电动车
  6 如何选择超级电容模组
  前言
  超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。同时,超级电容器是一种新型绿色环保的储能器件(活性炭),其具有效率极高、高电流容量、电压范围宽、使用温度范围广、回卷使用寿命长、工作寿命长、免维护易保养、整合简单、底成本等优越的特性;综合以上所诉,超级电容具有很广阔的发展前景;
  超级电容模组介绍
  综合以上所述,由于超级电容器单体工作电压不高,一般只有1V-4V,其中常用的单体超级电容电压规格一般是2.7V,而在实际应用中常需要16V、48V、54V、75V、125V或更高的电压才能满足这些设备的使用。这些设备多数为风力发电、汽车HEV、军用启动电源及微电网设备等,为了满足这些设备的使用要求,超级电容模组就应运而生了。
  超级电容模组就是将多个超级电容器单体串联,配合电压均衡和放电稳压系统,用铝合金外壳组合而成的一个新型能量包。超级电容模组的诞生,弥补了铅酸电池等储能器件的缺陷,超级电容模组的工作温度范围为-40~65℃解,决了铅酸电池在室外寒冷条件下使用效率大大降低的问题;而且超级电容模组不但具备了超级电容单体的所有特性,同是还具备了可状态监控功能,能更好的实现免维护易保养;
  超级电容模组具有一下优点:
  1、超级电容模组是绿色能源(活性炭),不污染环境。
  2、超级电容模组寿命长(充电次数10万次);铅酸电池寿命短(充电次数500次),易损坏,难管理,是铅酸电池的20-200倍可以与设备同命运。
  3、超级电容模组充电速度快(0.3秒-15分钟);铅酸电池充电时间长(5-8小时),很多电池就是充电时间 长,续驶里程短。
  4、超级电容模组充放电效率高(98%);铅酸电池充放电效率低(70%);
  5、超级电容模组功率密度高(10.000W/kg);铅酸电池功率密度低(300W/kg),差30多倍。
  6、超级电容模组彻底免维护,工作温度范围(-40~50);铅酸电池电动车在-40℃续驶里程减少90%,超级电容器只减少10%。
  7、超级电容模组在电动大客车能量回收强,紧急制动能量回收高达75%;铅酸电池能量回收仅为5%,这点对公共大客车太重要了,可以节约大量的燃料。
  8、超级电容模组的相对成本低。超级电容器价格比铅酸电池高一倍在大量生产后价格还会下降;但超级电容器的寿命比铅酸电池高10倍,这点对公共大客车产业化非常重要。
  9、超级电容模组还具有过温过压自动报警等功能,能更好的保护其他设备,保证设备正常运行;
  汽车动力市场的运用
  汽车动力市场主要由以下四部分组成
  1. 铅酸电池,技术成熟但污染重,目前多用于电动自行车;
  2. 金属氢化物镍电池,价格昂贵,行驶距离短,电动汽车上没前途;
  3. 磷酸铁锂电池,价格较贵,已经在电动汽车上使用,一次充电可行驶100-120 km,需要启动汽油机的混合动力来延长里程;
  4. 超级电容动力电池,价格便宜,免维护,10-50 万次的充放电循环寿命,在电动大客车能量回收中,紧急制动能量回收高达75%;
  汽车动力里程碑
  锂离子电池的出现解决了汽车充电储能和为汽车提供持久动力的问题,而超级电容器的使命则是为汽车启动、加速时提供大功率辅助动力,在汽车制动或匀速运行时收集并储存能量,最重要的是超级电容模组使用的是绿色能源(活性炭)。
  美国能源部最早于20 世纪90 年代就在《商业日报》上发表声明,强烈建议发展电容器技术,并使这项技术应用于电动汽车上。在当时,加利福尼亚州已经颁布了零排放汽车的近期规划,而这些使用电容器的电动汽车则被普遍认为是正好符合这个标准的汽车。电容器就是实现电动汽车实用化的最具潜力、最有效的一项技术。能源部的声明使得像Maxwell Technologies公司等一些公司开始进入电化学电容器这一技术领域。时间飞逝,技术的进步为电化学电容器在混合动力车中回收可再生制动能量中的应用铺平了道路。现在,这些混合动力车已经在高度动力混合的城市公交车系统中开始应用。
  将超级电容器与汽油机相结合,研制出一种综合电动机助力器系统,使内燃机主要工作在最佳工况点附近,大大降低内燃机的排放,并可回收制动能量,通过装在小客车上,极大地降低汽油机燃油消耗量从而使其成为低排放的节能汽车;日本丰田公司研制的混合电动汽车,其排放与传统汽油机车相比:CO2下降50%,CO 和NOX排放降低90%,燃油节省一半。从而可以看出超级电容器在新能源汽车领域,将会与锂离子电池配合使用,二者完美结合形成了性能稳定、节能环保的新型混合动力汽车电源。
  因为电压低所以超级电容往往采用多块单体串联的形式,伴随着电容串级的提升,整体电压也随之提高。超级电容工作电压常达到几百伏,而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰,同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电(通常在50A-150A之间),电压、电流变化十分迅速,如中型客车用超级电容以150A电流放电时,端电压会在1分钟之内由300V减到70V,而200V恒压充电时电流也会在几分钟内由50A增大到150A左右。由于超级电容器单体有严格的耐压值(如有机体系超级电容小于2.7V),因而需要将数个甚至数百个单体串联构成所需工作电压的超级电容模组,这些单体应具有相同的充放电电流,因串联组中各单体性能(容量、内阻、漏电流等)的不一致(即使在配组时经过严格的一致性筛选,其偏差也不可避免)会造成超级电容器组的过充或欠充使得储能下降或寿命缩短。
  车载超级电容模组如何管理是电动汽车的一项关键技术。车载超级电容模组管理系统可实时监测超级电容模组的工作状态,如电压、充放电电流、使用温度等;预测超级电容内阻、容量,防止过充过放,从而达到提升超级电容使用性能和寿命,提高超级电容电车的可靠性和安全性的目的。
  今朝时代新能源技术有限公司专门针对车载超级电容模组在线监测需要,借鉴相关蓄电池组储能管理维护的经验和技术、方案,研制出超级电容模组管理维护系统的高科技电子产品。本产品突破传统监测一贯所采用的检测原理,采用模块化设计,分布式安装,从而可以较好解决在传统监测时普遍存在信号连接线过多、过长,施工维护相对困难、繁琐,又同时存在安全隐患的问题。
  二元动力电动车
  二元动力超级电容器电动车,其中最大的优点,就是充分发挥超级电容器在低转数,大负荷情况下,能量基本不受损失;在减速、下坡、刹车情况下,其能量能回收。避开内燃机在低转速、大负荷;高转速、高负荷费油的状态下运行,使发动机永远在最佳状态下运行,即省了油,又减少了污染,二元动力超级电容器电动车能节油30%~50%,减少污染70%~90%。
  ——起步阶段:转数低、负荷大、费油;这个阶段内燃发电机组在最佳状态运转,这时要用超级电容器启动、加速,并向超级电容器充电。
  ——正常运转阶段:这时内燃发电机组是在最佳状态运行,并向电动机输出动力,这时公共大客车负荷最小,也最省油,并向超级电容器充电。
  ——高速运转阶段:内燃发电机组向电动机输出稳定的动力,超级电容器也向电动机输出动力。这个阶段电动机转数高、负荷也大,公共大客车车速也最快。
  ——刹车、停车、减速、下坡阶段:这时发电机组、超级电容器停止向电动机输出动力,这时大客车所储备的动能,电动机转变成发电机向超级电容器充电,能吸收70%的动能,尤其城市公共交通,能节省大量的燃料。
  由于现在石油价格的飞涨,国外一些汽车企业已经把超级电容应用到汽车上,汽车在下坡时把能量以电能的方式储存起来,在爬坡时或需要大功率时释放出来。这样就降低了使用成本。
  如何选择超级电容模组
  很多用户都遇到相同的问题,就是怎样计算一定容量的超级电容在以一定电流放电时的放电时间,或者根据放电电流及放电时间,怎么选择超级电容的容量,下面我们给出简单的计算公司,用户根据这个公式,就可以简单地进行电容容量、放电电流、放电时间的推算,十分地方便。
  超级电容器的两个主要应用:高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用的特征:要求持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用:断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R),而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。
  下面提供计算公式和应用实例:
  C(F):超电容的标称容量;
  R(Ohms):超电容的标称内阻;
  ESR(Ohms):1KZ 下等效串联电阻;
  Uwork(V):在电路中的正常工作电压
  Umin(V):要求器件工作的最小电压;
  t(s):在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间;
  I(A):负载电流;
  Udrop(V):在放电或大电流脉冲结束时,总的电压降;
  瞬时功率保持应用
  超电容容量的近似计算公式,该公式根据,保持所需能量=超电容减少能量。
  保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t
  超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)
  因而,可得其容量(忽略由IR 引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
  如单片机应用系统中,应用超级电容作为后备电源,在掉电后需要用超级电容维持100mA的电流,持续时间为10s,单片机系统截止工作电压为4.2V,那么需要多大容量的超级电容能够保证系统正常工作?
  由以上公式可知:
  工作起始电压Vwork=5V;工作截止电压Vmin=4.2V;工作时间t=10s;工作电源I=0.1A所需电容容量为:
  C=(Vwork+ Vmin)It/( Vwork2 -Vmin2)
  =(5+4.2)*0.1*10/(52 -4.22)
  =1.25F
  根据计算结果,可以选择5.5V 1.5F电容就可以满足需要了。


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