超级电容器电容代替蓄电池为小型用电设备提供电能

摘要:超级电容器作为一种新型的储能器件,可以代替蓄电池为小型用电设备提供电能。文章介绍了超级电容器的原理及特点、应用设计方法和具体的应用电路,使它能够高效率解决方案,随着超级电容耐压的提升、容量的扩大和价格的降低,相应的小功率储能模块具有很好的应用前景。

关键词:超级电容器;储能模块;用电设备;控制电路

中图分类号:TM535文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)23-0041-03

一、问题的提出

在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。如美国的Maxwel,日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等,这些公司目前占据着全球大部分市场。国外主要的生产企业有:美国的Maxwell公司,俄罗斯的公司、Elit公司,日本的Elna公司、Panasonic公司、NEC-Tokin公司,韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等。

近年来,由于这一领域具有广阔的应用前景,我国一些公司也开始积极涉足这一产业,并已经具备了一定的技术实力和产业化能力,能够批量生产并达到实用化水平的厂家有10多家。

Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案,并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知,化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,使用寿命较短,并且受温度影响较大,这同样也是采用铅酸电池(蓄电池)的设计者所面临的困难。同时,大电流会直接影响这些电池的寿命,因此,对于要求长寿命、高可靠性的某些应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足。

超级电容器的原理并非新技术,常见的超级电容器大多是双电层结构,同电解电容器相比,这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比,超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器,有着法拉级的超大电容量,比传统的电解电容器的积能密度高上百倍,漏电流小近千倍,它的放电比功率较蓄电池高近十倍,不需要任何维护和保养,寿命长达十年以上,是一种理想的大功率物理二次电源,已成功地用作内燃发动机的启动电源;电动车的起步、加速、爬坡电源;高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。

目前我国已成功开发、生产出此类电容器。其系列技术指标为:电容量:0.2～600F,工作电压:14～400V,最大电流400～2000A。

由于可充电型蓄电池的充电次数有限(小于1000次),使用寿命较短;其次,由于其化学结构的影响,它不能进行大电流充电;第三,蓄电池需要有防过充、防过放以及温度补偿等控制电路,而且控制电路比较复杂;第四,可充电型蓄电池主要利用化学反应来进行充放电,电池中的废物会对环境产生污染,不属于环保产品。

因此,本文中选用超级电容做为储能元件。该电容具有法拉级的超大电容量,超强的荷电保持能力,且漏电流非常小,8小时电压下降率小于5%;无须特别的充电电路和控制放电电路,充电迅速,而且可以在仅高于其漏电流(典型值约为1mA)的状态下充电;此外还具有优良的温度性能,可在-40～75℃的环境温度中正常使用;无污染,是一种绿色电源;可焊接,而且不存在象蓄电池那样接触不牢固等问题。超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。

二、超级电容器的原理及特点

(一)超级电容器的原理

超级电容器也属于双电层电容器,它是世界上已投入生产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。以美国库柏Cooper公司的超级电容为例,根据电容器的原理,电容量取决于电极间距离和电极表面积,为了得到如此大的电容量,要尽可能缩小超级电容器电极间距离、增加电极表面积,为此,采用双电层原理和活性炭多孔化电极。

超级电容器的结构如图1所示。双电层介质在电容器的二个电极上施加电压时,在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷极性相反的电荷并被束缚在介质界面上,形成事实上的电容器的两个电极。很明显,两个电极的距离非常小,只有几纳米,同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积,可以达到200m2/g。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。就储能而言,超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。当两个电极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上的电荷不会脱离电解液,超级电容器处在正常工作状态(通常在3V以下),如果电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位,那么,电解液将分解,处于非正常状态。随着超级电容器的放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液界面上的电荷响应减少。由此可以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应,因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池不同。

(二)超级电容器的主要特点

尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或者更少,但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说,这种超级电容器有以下几点优势:

1.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1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级,目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

2.充放电寿命很长,可达500000次,或90000小时,而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流,如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A,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。

3.可以在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。

4.可以在很大的温度范围内正常工作(-40～+70℃),而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;而且,超级电容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。

双电层电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,如图1所示。

三、超级电容器的应用设计

(一)超级电容器的应用设计原理

根据设计要求,其原理框图如图2所示,它主要由五部分组成,即充放电控制通过充电器对超级电容器充电、光控对于用作夜间照明用的电器可根据光通量对它实现控制、超级电容器采用二并二串的连接方法使它的容量为150F、充电结束指示是当超级电容器充电到额定容量提醒用扳去充电电源、负载根据本文设计可作多用途,例如数码相机电源、夜间应急对等低电压直流电源。

(二)充放电原理

一般电池充电均采用恒流方式,这样只需控制充电时间或充电结束绿灯指示即完成对电池的充电。若容量为1700毫安mA时,其标准充电方法是:用额定容量的1/10左右电流。图3充电器实测充电电流为200mA左右,充电时间约为8～12小时。制作所需的元件有:变压器一个,功率在10W左右,次级绕组的电压在12～15V之间;7812三端稳压集成电路一个;IN4007二极管4个(或1A/200V整流桥一个),2200μF/50V电解电容和0.1μF无极性电容各一个滤波;30欧姆电阻一只(阻值大小可以根据需要自定);制作说明及注意点:选好元件以后按照电路图组装好电路,仔细检查确保焊接无误。三端稳压集成电路须安装散热片。电阻的功率2W以上,最好选择阻燃电阻。在电路板上安装电阻时要在他周围预留一定的空间,因为电阻也有较大的发热量。改变电阻的阻值大小即可在一定范围内改变充电电流,也就控制了充电时间的长短。不过建议在一般情况下不要采用大电流充电,以免影响使用寿命。图3充电器给超级电容器充一次电,可以数十秒到数分钟内快速充电,在数码相机上可拍照300～400张左右(LCD取景屏常开,适量使用闪光灯),使用过程,超级电容器工作一直良好,使用效果也非常令人满意。

由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。

四、控制电路的设计

(一)设计参数

以四个单体容量150F、耐压5V、内阻20mΩ的超级电容为例,先两个并联、再两串联。得到150F、5V的组件。为安全计,充电只达到10V,故需给组件并联两个5V的监控电路。故设计参数选为:监控电压5V,限制电流2.5A,工作内阻10mΩ以下(低于电容内阻),如图4超级电容器充电控制电路的原理图所示。

(二)电路设计

在图4超级电容器充电控制电路的原理图中,为了在低电源电压下工作,T1选用饱和电压Vce低的三极管2SA1743(30W/10A)。虽然其功耗仅2～3W,仍为其选用热阻为10～15℃/W的散热器。

根据图4,Tl的IR≈25mA,流过R3的电流为2mA,合计为27mA。这时IC1的功耗Pic1为35mW。监控电压的调整选用稳压集成电路2SA1743,其最大电流为50mA,允许功耗为150mW。充电结束信号由光电耦合器传递给充电器;T2用来驱动光电耦合器。

五、结语

超级电容器也属于双电层电容器,它是世界上已投入生产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容器放电次数可达数万次乃至数十万次,就实际水平而言,上海奥威科技的超级电容器已经可以实现充放电20000次。这样一来,超级电容器在使用寿命上是蓄电池的4～5倍,而价格却仅为其3倍左右,就体现出更具竞争优势的性价比。

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。

我们通过一种替代蓄电池的超级电容储能模块,合理地设计充电和稳压电路,该模块的能量输出具有稳定性好,转换效率高等特点。通过计算本文充电电路的电流与效率之间关系,并确定最佳的充电电流范围。随着超级电容耐压的提升、容量的扩大和价格的降低,相应的小功率储能模块具有很好的应用前景。

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