超级电容电源及应用.ppt

超级电容电源及应用,什么是超级电容？,超级电容是一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。,作为电源使用的超级电容，即为超级电容电源,超级电容,储能原理,特性参数,性能比较,应用,应用电路设计,材料,化学电容储能机制：可分为：双电层电容-电极表面与电解液间双电层储能。准电容-电极表面快速的氧化-还原反应储能。,储能原理,相应的两类电极-组成三种电容器 双电层电容器 正、负极多孔炭 准电容器 正、负极金属化合物、石墨、导 电聚合物。寿命短、电压低 混合电容器 电压、能量密度高,双电层电容原理,储能原理,双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附,造成两固体电极之间的电势差,从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。,双电层原理示意图,储能原理,充电时,在固体电极上电荷引力的作用下,电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面;放电时,阴阳离子离开固体电极的表面,返回电解液本体。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。,双电层电容原理,双电层电极、溶液界面结构示意图Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte,（法拉弟）准电容原理,是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。也称为赝电容。,储能原理,此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如:（1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系;（2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流I=CdV/dt=CK。,储能原理,准电容原理,法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容可以是双电层电容量的10100倍。,储能原理,上述两种储能结构的电容器，也可从其使用的电极材料上进行划分：,（1）双电层电容器(EDLC)通常 以炭材料为电极。电容量与电极电位和比表面积的大小有关，因而常使用高比表面积的活性碳作为电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳的表面积可达1000m2/g，电容量可达100F/g，且碳材料还具有成本低，技术成熟等优点，该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。,（2）赝电容 以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大 10100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主要用于军事领域。,制备高性能的超级电容器有2个途径:,一 是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量;,是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容 容量。,但实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往同时存在,只不过是以何者为主而已,储能原理,特性参数,额定容量：单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即：由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略。,额定电压：可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.5-3倍左右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多。额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）最大存储能量：在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位 能量密度：最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）功率密度：在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。,特性参数,寿命：在25环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。循环寿命：20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。,特性参数,等效串联电阻：测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。工作与存储温度：通常为-40-60或70，存储温度还可以高一些。漏电流：一般为10A/F,返回,特性参数,性能比较,与普通电容比较,性 能 超级电容器 普通电容器 充电时间 0.3-若干秒 10-310-6秒 放电时间 0.3-若干秒 10-310-6秒 比能Wh/kg 1-20 10000 100000 比功率W/kg 1000 0.95,性能比较,与其他储能电源比较,材料,1、多孔电容炭材料超级电容器的核心,4、以减轻重量为中心的结构设计,2、准电容储能材料,3、高性能电解质溶液,返回主页,1、多孔电容炭材料,性能要求1、高比表面 1000m2/g 理论比电容 250 F/g 2、高中孔孔容 1240 400l/g，大于40的孔容 50l/g，3、高电导率4、高的堆积比重 5、高纯度 灰份 0.1%6、高性价比7、良好的电解液浸润性,二、技术及电极材料的进展,材料,已研制的电容炭材料,活性炭（粉、纤维、布）应用最多的电极材料纳米碳管碳气凝胶活化玻态炭 纳米孔玻态炭,1、多孔电容炭材料,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯,活性炭,优势：（1）成本较低；（2）比表面积高；（3）实用性强；（4）生产制备工艺成熟；（5）高比容量，最高达到500F/g，一般200F/g。性能影响因素：（1）炭化、活化条件，高温处理；（2）孔分布情况；（3）表面官能团（4）杂质。研究趋势：材料复合、降低成本,1、多孔电容炭材料,材料,石墨烯,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子以sp2杂化轨道（sp2杂化（英语：sp2hybridization）是指一个原子同一电子层内由一个ns轨道和两个np轨道发生杂化的过程）。呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列构成的单层二维晶体。,材料,1、多孔电容炭材料,超薄平面石墨烯电容器,更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用,新型设计,传统设计,层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥,石墨烯,2013初，莫纳什大学材料工程学教授李丹领导的研究团队研制出了一种能量密度为60kwh/升的新型超级电容，其能量密度可为目前的超级电容的12倍左右.,材料,1、多孔电容炭材料,石墨烯,对金属化合物的性能要求：1、高比表面 多孔，高比能量2、低电阻率 高比功率 3、化学稳定性 长寿命4、高纯度 减少自放电5、价格低 便于推广应用,二、技术及电极材料的进展,2、准电容储能材料,材料,2、准电容储能材料,a.贵金属 贵金属RuO2电容性能研究 使用硫酸电解液；容量高，功率大，成本高。热分解氧化法380F/g 溶胶-凝胶法 768F/g,2、准电容储能材料,材料,添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物 降低成本 复合后性能高：WO3/RuO2比容量高达560F/g Ru1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g 活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到900F/g,2、准电容储能材料,材料,b、廉价金属取代贵金属 MnO2材料 溶胶-凝胶法制得MnO2水合物在KOH溶液中比容量为689F/g。NiO材料 溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。北航做纳米Ni(OH)2容量500F/g以上。Ni(OH)2干凝胶容量900F/g。,2、准电容储能材料,材料,2、准电容储能材料,材料,多孔V2O5水合物 比容量350 F/g（在KCl溶液）。Co2O3干凝胶 比容量291F/g（KOH溶液中）。-Mo2N 比容量203F/g。,研究情况：聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚胺酯 性能特点：可快速充放电、温度范围宽、不污染环境；稳定性、循环性问题。,c、导电聚合物,2、准电容储能材料,2、准电容储能材料,材料,3、高性能电解质溶液,性能要求：分解电压要高；电导率要高；电解液的浓度大；电解液的浸润性好；电解液纯度高；不与电极反应；使用温度范围要宽。,材料,3、高性能电解质溶液,电容器电解质：水溶液：酸性体系硫酸 碱性体系氢氧化钾 有机电解液：Et4NBF4/PC（小型电容器，高温性能好）Et4NBF4/AN（大型，大功率、低温）LiAlCl4/SOCl2 季磷盐(R4P+)：电导率高、电化学稳定性好，可以提高电容器的分解电压(达5.45.5 V)。固体电解质：LiCF3SO2 2N/PEO、RbAg4I5,3、高性能电解质溶液,材料,4、以减轻重量为中心的结构设计,材料,电极设计、封装设计、特殊用途设计：卷绕式 平板式（单体内并结构）双极性结构（单体内串结构）软包装的应用 模块化、独立功能化设计。,应用,玩具、手电筒、洁具、自行车尾灯、音响、助听器、礼花、充电器、DVD机、收音机、冰箱、空调、背投和液晶电视、洗碗机、鱼漂、消毒柜、电子门锁、热水器、燃气灶、电饭煲、熨衣架、待机转嫁器、数码相框、机顶盒、微波炉、遥控器、汽车黑匣子,公用电器、工业及医疗电器：（用作小功率器件的电源）税控机、控制器（温度控制器）、触摸屏、摄像头、扫描仪、投影仪、考勤钟、计数器、显示屏、彩票机、银行终端、公汽读卡器、身份识别、复印机、打印机、X光机、磁共振、道钉机、电焊机、皮带机、激光器、矿灯、工业仪表、雷管、电动工具网络通讯：（中型模组、模块、工作时间不是很长的、瞬间工作的）电脑、电话、手机、信息终端、通讯站、GPS、电力数据传输风光发电：风力发电、变浆、接收转换、太阳能发电（储能）、太阳能灯（警示灯、标识灯、道钉灯、地埋灯）、太阳能手电交通工具：摩托车启动、机车启动、电动汽车辅助动力、汽车启动、电动自行车辅助动力、汽车音响、车载监控,电动运输工具动力电源,动力电源：,后备电源：开关柜、直流屏、负荷调整电源、故障定位、变频器、脉冲电源、应急灯、救生绳、报警器、卷帘门、与电池配套电源、断电保护能量回收：吊车、矿井、机车、电梯、抽油机军工：战斗机、军车、坦克、雷达、精准炮弹、激光炮、电磁炮、警棍,应用,应用于智能三表(热量表、煤气表、智能水表)传统的智能水表，在控制水阀开启和关断时，普遍采用的方法是内装锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等。锂电池使用到一定时间后，不得不更换电池。需要上门为用户更换电池或水表，这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事。另外，电池电量不足的情况出现是随机的，如果不精确和及时的监测电池电量，将无法可靠的关断水阀，造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点，直接影响到它的推广和使用。用超级电容代替锂电池可以解决这个问题。超级电容是一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。,超级电容器在智能水表中设计电路优点如下：a.将电池从水表中分离出来，从而可以不考虑电池寿命对水表的影响，延长了水表的使用时间。b.另一方面，超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性，在外接干电池电量不足时，仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。c.以前一味追求的漏电流指标，主要是为了保障电池的使用寿命，改用超级电容后，漏电流指标变得不重要。如果电池电量不足，用户可以随时更换。这样，不仅使电路设计简化，减少产品的出厂检验工序，还使产品的成本降低。,智能三表、后备电源用超级电容器,太阳能道钉灯,太阳能地砖灯,太阳能交通警示灯,太阳能浮标灯,太阳能光伏产品种类很多，适合使用超级电容器的有,白天,太阳能电池太阳能电能,夜间太阳能灯照明,夜间,存储于超级电容器组中,太阳能领域的应用,玩具,Ultracapacitors and tiny airplanes,IT 产品,无线节能鼠标,免用电池，无废电池污染问题采用超级电容，充电迅速(90240秒)充饱一次电可以使用60240分钟充放电次数 500,000次使用27.042MHz免认证无线频段256组随机随机数配对码采用磁性连接充电，方便迅速对位充电电力供应使用一般USB(5V/500mA)埠有效传送范围;约3尺(1米)每秒撷取图像1,700次每秒位传输速度4.8k(bps)分辨率800/1000cpi，每秒最高位移24.9 inches自动安装，无需额外驱动程序,无线手写板,SSD 固态硬盘,Feature of Enterprise model designSDRAM to cache FAT+Data.Need Power backup to flush to NAND,为了确保应急照明灯具有节电、高亮度、长寿命和不间断性，采用由直流电源供电的半导体照明灯LED。采用LED灯后，节约了大量的电能，维修费用，同时也确保了照明质量。采用超级电容器作为储能元件，确保了应急照明灯的超长寿命和免维护、可靠性强灯特性。超级电容取代锂电池,免维护,免换电,寿命特长.超高可靠性不會擔心電池實效失去電源适合應用在要求較高場合提供全整方案.,应急照明灯储能系统,US$170-$225 Market Price,Faraday Flashlight-Linear Generator with ultracapacitor flashlight,Light for Life Flashlight UC3.400 Description:LENGTH-11.5 in,29.2 cm BARREL DIAMETER-1 3/4 in,4.5 cm HEAD DIAMETER(AT WIDEST POINT)-2.75 in,7 cm WEIGHT-Approx.16oz.Made of durable polymer.Impact,abrasion,and water resistant Recharges in 90 Seconds.Run time=120 minutes Contains 3 x GREE 1W LEDs rated for more than 50,000 hours.Utracapacitor Life:50,000 Cycles,LED快充/动能 手电筒,美国 Superior Tool Co 设计.与7.2V电池并联使用,提供初始大电流供电 满足冲击大电流供电需求,保护电池,延长电池寿命充满情况下,可切割100次,每次约3-5秒,相对没有超级电容要5秒以上快每次充完电的切割数量提高30%,电动工具 辅助电池使用,Coleman Flashcell Screwdriver($80)this ultracapacitor-powered cordless screwdriver can be recharged in just 90 seconds,and its“battery”will last a lifetime.,无绳电动螺丝刀 充电90秒产品主要针对不长用业余用家,但需要快速电及突然大量使用充满可安装22只螺丝,用电池可安装37只螺丝但充电时间为90秒,电池需要30分钟以上.如果需要安装100只螺丝,要等电池充电,超级电容可不断快速充电.50万次充放电寿命,没有电池般记忆效应,一辈子不用更换电池.,电动工具 纯超级电容,引入超级电容器使系统具有够大的过载能力.电容器有快速充电特性,充电的电源范围0-52V,可以充分吸收 短时,间隙的强大风能.及微小风能太阳能条件下的能量.DC/DC 充电及控制器保证系统在微风的条件吸收的能量在低压情况下向蓄电池充电.5.DC/DC 充电效率高达85%.,将剧烈波动的能量变成较平滑的能量输入,再生能源-移峰填谷,延长电池寿命减少电池用量,不需要用电池提供长时间后备电源,在动力UPS系统中，用超级电容器作为变频器或逆变器的直流储能组件，有蓄电池或电解电容器无可比拟的优势。尤其在中、高压时，避免了由数十节甚至上百节蓄电池串联所带来的一系列问题；和电解电容相比，不但便于维护，而且降低成本，提高了UPS设备的可靠性。,当市电断开时，由超级电容器短时供电，为逆变器提供直流电压，供给负载，同时为发电机启动提供足够的启动电流发电机启动可靠，消除电池作为候备电源带来不稳定因素当发电启动后，超级电容器在逆变器的直流回路又可以做为一个超级滤波器，消除发电机在负载波动的条件下电压的波动，如市电高压、市电低压、电压瞬时落、减幅 振荡、高压脉冲、电压波动、浪涌电压、谐波失真、杂波干扰，频率波动等电源问题。从于保证对负载供电稳定,短时间不间断电源,医疗,便携电源超级电容器可以作为便携式除颤器的放电电容。由电容所提供的大脉冲能量约为200-360J，单方向通过电极的全部电流加到病人身上。发达国家的一些公共场合开始采用便携式除颤器，这样可以尽早地挽救生命。其中的储能电容器以采用超级电容器为最佳方案，如400J储能仅需25F即可，即使按100F计算，其体积也仅仅为25*45mm。由于超级电容器的电压很低，可以使用超级电容模组或用功率变换器将电压提高到需要的水平。,PaceMaker 心脏起搏器,用超级电容加小马达充电,永久不用更换电池.,+,安装于电动自行车上与24V铅酸电池并联使用10 只2.7V 220F超级电容最高电压27V重量非常轻:38克/电容冷起动:-40oC快速充电:2分钟内脚踏和滑行能量回收效率为90%.电池只有30%.延长电池寿命达一倍,环保超级电容:充放电寿命为50万次,电动自行车,电梯,应急电源 1）用于到达下一层 2）用于打开门 3）用于呼叫和照明系统 分布式电源 1）重型门 2）修理时期动力供给 3）动力平衡 4）减少电梯系统电缆,为开启门提供爆发动力，16 x 56F UCs使用寿命25年，140,000飞行小时已经通过空中客车公司资质证明，于2004年测试已交付多于100k 100F产品设计变成140F 产品每个A380上紧急启动16个门，2个长期使用的登机门，14个应急门。Airbus空中客车公司已证明的解决方案。在地面上，正常操作和紧急操作时，门必须被打开在飞行时，门必须被关上并锁紧滑道必须在紧急情况被需要的时候膨胀工作峰值负载60A待机时间8小时，（要求低自放电）总能量11000W可预测的充电级别，充电状态持续监视门控制器冗余电源限制质量和体积,航空航天,电动汽车,XH-150 plug-in hybrid SUV,(1.6L/100km),为电机启动提供强大启动力距吸收马达制动过程中能量保护蓄电池过放电，延长使用寿命提高电动机车性能 如加速，制动等超级电容能在短时间内提供和吸收大的功率，而且能量回收效率高、充放电次数高、循环寿命长、工作温度区域宽；适合频繁加速和减速的城市交通工况。超级电容价格相对于电池要便宜,适合低成本方案。尽管超级电容比能量比较低，但是可以通过控制策略的研究，合理地进行能量分配,超级电容电动游览车,技术参数：电机输出功率：5.0kW 充电器配置：150A/90V 超级电容器组件：组件构成：180只单体。组件额定电压：90V组件工作电压区间：90V-55V基本使用工况：100%充电时间：10分钟，其后需恒压充电5分钟 100%充放电循环寿命：50000次 续驶里程：20km（100%充电后，时速30km/h，工作电流30A）上海张江高科技园区“创新示范线项目”上海崇明岛超级电容电动游览车示范线项目,电动/混合動力城市客车,提高混合电力、燃料电池的动力效率电容用于大量“停走”,加速期间或爬山时适用于观光车,市内公交车,机场等每辆车用8-12 只 48V 模块延长电池寿命提供大电流放电及停刹车能量回收,CDB10/6S型矿用一般型速充式电机车,军事领域,采用混合电传动技术的13吨重8轮重型战术卡车，该车将电能存储在超级电容器中，与同级别的卡车相比，燃油消耗率降低了20%，并且可以提供100千瓦的可输出功率。停车时，发电机能够为一个指挥控制中心或一个野战医院提供所需的电力。一款被称为“先进地面机动车”的新型混合电传动车辆，该车的通用结构与“影子”侦察、监视与目标指示车（RST-V）相似，车轮由轮毂永磁电动机驱动，发电机也采用磁电动机公司的130千瓦永磁水冷发电机，此外车上还装有一个锂离子电池组，能够产生65千瓦的脉冲功率，可以为短程静默行驶提供动力。,超级电容器配合蓄电池应用于内燃发动机电启动系统，能有效保护蓄电池，延长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏电的情况下，确保可靠启动。蓄电池在低温环境放电能力明显下降，会造成坦克战车无法启动，影响了军事战备。超级电容器的工作温度范围宽，可在-40环境工作，保证了电启动系统的正常供电，使坦克战车一次启动成功,舰用声纳/电磁炮,战车混合电传动系统,坦克低温启动,应用电路设计,充电电路设计,应用（放电）电路设计,应用电路设计,充电电路设计,要点：,充电和管理,（实例）,应用电路设计,充电电路设计,由于所采用的超级电容器组是采用400个单体电容串接而成。在超级电容器工作在充电状态时，各单体电压会因为各电容参数不同而存着差异，因此，需要实时检测各单体电容的状态，通过必要的措施以均衡单体电容电压。,该控制模块根据所采集到的各个单体的相关物理量（电压、电流、温度），对每一个单体体电容充电状态作出判断，并对单体电容进行必要的均压，以防止单体电容充电不足或过充。其中，超级电容智能充电与管理模块采用基于CAN协议的现场总线网络，将所有的单体电容器进行分组，如400个单体电容可分为40组，每组单体电容个数为10个，其中，每个电容器组配置一个挂接在CAN总线网络的单体电容状态检测（电压、电流、温度等状态参数）和均衡控制器，40个检测与均衡控制器与主控制器组成智能电容器充电网络。其中，每个检测与均衡控制器同时完成每个单体电容的电压、电流、温度等物理量的检测和均衡控制。一个主控制器实时采集超级电容器总电压和电流，并通过CAN总线接收控制台的控制命令进行充放电控制。,充电电路设计,CAN接口,CAN总线接口示意图,充电电源控制接口,其中，PIC18F458在接到控制台发出的充电命令，以及超级电容管理与检测模块发出的异常信号之后，决定是否对超级电容器电源进行充电。当接到允许充电的命令后，PIC18F458通过充电电源控制接口发出控制命令，接通充电开关，以进行充电。当接到超级电容管理与检测模块发出的异常信号，或充电已满信号之后，通过控制接口断开充电开关，结束充电。,超级电容器电源总电压与总电流测量接口,总电源电压测量接口,超级电容器电源总电压与总电流测量接口,总电源电流测量接口,均衡控制器的设计,为了便于对单体电容的快速均衡，将400个超级电容单体划分为40组，每10个单体电容为一组，其中，每一组都配置了相应的均衡控制器，均衡控制器的作用是，实时采集每个单体电容的电压、电流、及组温度，并对单体电容电压进行均衡控制。每一个均衡控制器电路结构按其功能划分，主要分为：电容参数检测电路、均衡控制电路、均衡控制软件实现。,均衡控制器的设计,均衡原理,10个单体电容电压均衡电路,均衡控制器的设计,两个超级电容单体之间的均衡控制电路,电容参数检测电路设计,均衡控制器的设计,电压采集结构,电流采样原理图,均衡控制器的设计,电容参数检测电路设计,单体超级电容器,应用（放电）电路设计,应用电路设计,