Введение в суперконденсаторы

С развитием общества и экономики люди уделяют все больше внимания зеленой энергетике и экологической среде. Суперконденсаторы как новый тип накопителей энергии привлекают все больше внимания из-за своих незаменимых преимуществ. Инженеры начали заменять традиционные батареи суперконденсаторами в некоторых конструкциях, требующих мощных и высокоэффективных решений. Дефекты в аккумуляторной технологии Новые аккумуляторы, такие как литий-ионные и никель-металлгидридные, могут обеспечить надежное решение для хранения энергии и широко используются во многих областях. Как мы все знаем, химические батареи накапливают электрические заряды посредством электрохимических реакций, приводящих к фарадеевской передаче заряда. Они имеют короткий срок службы и сильно зависят от температуры. С этой же трудностью сталкиваются и разработчики свинцово-кислотных аккумуляторов (аккумуляторов).

В то же время высокий ток может напрямую влиять на срок службы этих батарей, поэтому для некоторых применений, требующих длительного срока службы и высокой надежности, эти батареи на основе химических реакций демонстрируют различные недостатки. Особенности и преимущества суперконденсаторов Принцип действия суперконденсаторов не является новой технологией. Большинство распространенных суперконденсаторов имеют структуру с двойным электрическим слоем. По сравнению с электролитическими конденсаторами этот суперконденсатор имеет очень высокую плотность энергии и удельную мощность. По сравнению с традиционными конденсаторами и вторичными батареями суперконденсаторы имеют более высокую емкость хранения заряда, чем обычные конденсаторы, и обладают характеристиками быстрой зарядки и разрядки, высокой эффективностью, отсутствием загрязнения окружающей среды, длительным сроком службы, широким диапазоном рабочих температур и высокой безопасностью. . Помимо возможности быстрой зарядки и разрядки, еще одной ключевой особенностью суперконденсаторов является их низкий импеданс. Таким образом, когда суперконденсатор полностью разряжен, он будет иметь небольшую характеристику сопротивления, и, если предела нет, он будет потреблять возможный ток источника.

Поэтому необходимо использовать зарядное устройство постоянного тока или постоянного напряжения. 10 лет назад суперконденсаторы можно было продавать только в очень небольших количествах каждый год, и цена была очень высокой, примерно от 1 до 2 долларов США за фарад. Сейчас суперконденсаторы поставляются на рынок в больших количествах как стандартная продукция, а цена значительно снижена, в среднем на 0,01. ~$0,02/фарад. В последние несколько лет суперконденсаторы начали проникать во многие области применения, такие как бытовая электроника, промышленность и транспорт. Структура суперконденсаторов Хотя в мире существует множество производителей суперконденсаторов, которые могут предложить множество видов суперконденсаторов, большинство продуктов основано на аналогичной структуре двойного электрического слоя. Структура суперконденсаторов аналогична структуре электролитических конденсаторов. Очень похожи, главное их отличие – материал электродов. Электроды первых суперконденсаторов были изготовлены из углерода. Материал углеродного электрода имеет большую площадь поверхности, а емкость зависит от расстояния между площадью поверхности и электродами. Она может быть очень большой, большинство суперконденсаторов могут иметь уровень фарад, а общий диапазон емкости составляет 1 ~ 5000F. Использование суперконденсаторов Суперконденсаторы имеют широкий спектр применения. В сочетании с веществами с высокой плотностью энергии, такими как топливные элементы, суперконденсаторы могут обеспечить быстрое высвобождение энергии для удовлетворения высоких потребностей в мощности, позволяя использовать топливные элементы только в качестве источника энергии. В настоящее время плотность энергии суперконденсаторов может достигать 20 кВт/кг, что начало захватывать эту часть рынка между традиционными конденсаторами и батареями.

В тех приложениях, которые требуют высокой надежности, но низких требований к энергии, суперконденсаторы могут использоваться для замены батарей, или суперконденсаторы и батареи могут быть объединены для приложений с высокими требованиями к энергии, чтобы можно было использовать меньший размер. , более экономичные аккумуляторы. Суперконденсаторы имеют очень низкие значения ESR, что позволяет им генерировать большие токи и быстро поглощать большие токи. По сравнению с принципом химической зарядки принцип работы суперконденсаторов делает работу этого продукта более стабильной, и, следовательно, срок службы суперконденсаторов увеличивается. Суперконденсаторы являются идеальным источником питания для устройств, требующих быстрой зарядки, таких как электроинструменты и игрушки. Некоторые продукты подходят для гибридной системы аккумулятор/суперконденсатор. Использование суперконденсаторов позволяет избежать использования громоздких батарей и получить больше энергии. Примером могут служить цифровые камеры в бытовой электронике, где использование суперконденсаторов позволяет использовать в цифровых камерах дешевые щелочные батареи (а не дорогие литий-ионные батареи). Диапазон номинального напряжения ячеек суперконденсатора (ячеек) составляет от 2,5 до 2,7 В, поэтому во многих приложениях требуется использование нескольких ячеек суперконденсатора. При последовательном соединении этих ячеек инженеру-конструктору необходимо учитывать баланс и зарядку между ячейками. Любой суперконденсатор при включении питания разряжается через внутреннее параллельное сопротивление. Этот ток разряда называется током утечки, который влияет на саморазряд суперконденсатора.

Подобно некоторым технологиям вторичных батарей, напряжения суперконденсаторов должны быть сбалансированы при последовательном использовании, поскольку существует ток утечки, а размер внутреннего шунтирующего сопротивления будет определять распределение напряжения между последовательно соединенными ячейками суперконденсатора. Когда напряжение на суперконденсаторе стабилизируется, напряжение на каждом блоке будет меняться в зависимости от тока утечки, а не от значения емкости. Чем больше ток утечки, тем меньше номинальное напряжение, и наоборот, чем меньше ток утечки, тем выше номинальное напряжение. Это связано с тем, что ток утечки вызывает разряд ячейки суперконденсатора, понижая напряжение, что, в свою очередь, влияет на напряжения других ячеек, включенных последовательно с ней (при условии, что эти ячейки последовательно питаются одним и тем же постоянным напряжением). Чтобы компенсировать изменение тока утечки, обычным методом является подключение резистора параллельно рядом с каждым блоком для управления током утечки всего блока. Этот метод эффективно уменьшает изменение соответствующего параллельного сопротивления между блоками.

Другой рекомендуемый метод — активная балансировка ячеек, при которой каждая ячейка активно контролируется и балансируется относительно друг друга при изменении напряжения. Такой подход снижает дополнительную нагрузку на агрегат, делая работу более эффективной. Если напряжение превышает номинальное напряжение устройства, срок службы устройства сокращается. Для суперконденсаторов высокой надежности ключевым моментом является поддержание напряжения в необходимом диапазоне, а напряжение заряда необходимо контролировать, чтобы оно не превышало номинальное напряжение каждой ячейки.