Úvod do superkondenzátorů

S rozvojem společnosti a ekonomiky věnují lidé stále více pozornosti zelené energii a ekologickému prostředí. Superkondenzátory jako nový typ zařízení pro ukládání energie přitahují stále více pozornosti pro své nenahraditelné výhody. Inženýři začali u některých konstrukcí nahrazovat tradiční baterie superkondenzátory, které vyžadují vysoce výkonná a vysoce účinná řešení. Závady v technologii baterií Nové baterie, jako jsou Li-ion a NiMH, mohou poskytnout spolehlivé řešení skladování energie a jsou široce používány v mnoha oblastech. Jak všichni víme, chemické baterie ukládají elektrické náboje prostřednictvím elektrochemických reakcí, což vede k přenosu Faradayova náboje. Mají krátkou životnost a jsou velmi ovlivněny teplotou. To je také problém, kterému čelí konstruktéři olověných baterií (baterií).

Vysoký proud přitom může přímo ovlivnit životnost těchto baterií, takže pro některé aplikace vyžadující dlouhou životnost a vysokou spolehlivost vykazují tyto baterie založené na chemických reakcích různé nedostatky. Vlastnosti a výhody superkondenzátorů Princip superkondenzátorů není novou technologií. Většina běžných superkondenzátorů má elektrickou dvouvrstvou strukturu. Ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory má tento superkondenzátor velmi vysokou hustotu energie a hustotu výkonu. Ve srovnání s tradičními kondenzátory a sekundárními bateriemi mají superkondenzátory vyšší kapacitu pro ukládání náboje než běžné kondenzátory a mají vlastnosti rychlého nabíjení a vybíjení, vysokou účinnost, žádné znečištění životního prostředí, dlouhou životnost, široký rozsah provozních teplot a vysokou bezpečnost. . . Kromě schopnosti rychle se nabíjet a vybíjet je další klíčovou vlastností superkondenzátorů jejich nízká impedance. Takže když je superkondenzátor plně vybitý, bude vykazovat malou odporovou charakteristiku, a pokud neexistuje žádné omezení, bude stahovat možný zdrojový proud.

Proto je nutné použít nabíječku s konstantním proudem nebo konstantním napětím. Před 10 lety se superkondenzátory mohly prodávat každý rok jen ve velmi malých množstvích a cena byla velmi drahá, asi 1 až 2 dolary/farad. Nyní byly superkondenzátory dodávány na trh ve velkém množství jako standardní produkty a cena byla výrazně snížena, v průměru 0,01. ~0,02 $/farad. V posledních několika letech začaly superkondenzátory vstupovat do mnoha oblastí použití, jako je spotřební elektronika, průmysl a doprava. Struktura superkondenzátorů Přestože ve světě existuje mnoho výrobců superkondenzátorů, kteří mohou poskytnout mnoho druhů produktů superkondenzátorů, většina produktů je založena na podobné elektrické dvouvrstvé struktuře. Struktura superkondenzátorů je podobná jako u elektrolytických kondenzátorů. Velmi podobné, jejich hlavním rozdílem je materiál elektrody. Elektrody prvních superkondenzátorů byly vyrobeny z uhlíku. Materiál uhlíkové elektrody má velký povrch a kapacita závisí na vzdálenosti mezi povrchem a elektrodami. Může být velmi velký, většina superkondenzátorů může být na úrovni farad a obecný kapacitní rozsah je 1 ~ 5000F. Použití superkondenzátorů Superkondenzátory mají širokou škálu použití. V kombinaci s látkami s vysokou energetickou hustotou, jako jsou palivové články, mohou superkondenzátory zajistit rychlé uvolnění energie, aby vyhověly vysokým energetickým požadavkům, což umožňuje palivové články používat pouze jako zdroj energie. V současné době může hustota energie superkondenzátorů dosahovat až 20 kW/kg, což se začalo zmocňovat této části trhu mezi tradičními kondenzátory a bateriemi.

V těch aplikacích, které vyžadují vysokou spolehlivost, ale nízké energetické nároky, lze použít superkondenzátory k výměně baterií, nebo lze superkondenzátory a baterie kombinovat pro aplikace s vysokými energetickými požadavky, takže lze použít menší velikost. , úspornější baterie. Superkondenzátory mají velmi nízké hodnoty ESR, což jim umožňuje získávat velké proudy a rychle pohlcovat velké proudy. Ve srovnání s principem chemického nabíjení, pracovní princip superkondenzátorů činí výkon tohoto produktu stabilnější, a proto je životnost superkondenzátorů delší. Superkondenzátory jsou ideálním zdrojem energie pro zařízení, která vyžadují rychlé nabíjení, jako je elektrické nářadí a hračky. Některé produkty jsou vhodné pro hybridní systém baterie/superkondenzátor. Použití superkondenzátorů může zabránit použití objemných baterií za účelem získání více energie. Příkladem jsou digitální fotoaparáty ve spotřební elektronice, kde použití superkondenzátorů umožňuje digitálním fotoaparátům používat levné alkalické baterie (spíše než drahé Li-ion baterie). Rozsah jmenovitého napětí superkondenzátorových článků (článků) je 2,5 až 2,7 V, takže mnoho aplikací vyžaduje použití více superkondenzátorových článků. Při zapojování těchto článků do série musí konstruktér zvážit rovnováhu a nabíjení mezi články. Jakýkoli superkondenzátor se vybije přes vnitřní paralelní odpor, když je napájen. Tento vybíjecí proud se nazývá svodový proud, který ovlivní samovybíjení jednotky superkondenzátoru.

Podobně jako u některých technologií sekundárních baterií musí být napětí superkondenzátorů při použití v sérii vyváženo, protože dochází k úniku proudu a velikost vnitřního bočníkového odporu bude určovat rozložení napětí napříč sériově zapojenými články superkondenzátoru. Když se napětí na superkondenzátoru stabilizuje, bude se napětí na každé jednotce měnit s unikajícím proudem, nikoli s hodnotou kapacity. Čím větší svodový proud, tím menší jmenovité napětí, naopak čím menší svodový proud, tím vyšší jmenovité napětí. Je to proto, že svodový proud způsobí vybití článku superkondenzátoru, čímž se sníží napětí, což následně ovlivní napětí ostatních článků v sérii s ním (za předpokladu, že tyto články v sérii jsou napájeny stejným konstantním napětím). Za účelem kompenzace kolísání svodového proudu je běžnou metodou připojení rezistoru paralelně vedle každé jednotky pro řízení svodového proudu celé jednotky. Tato metoda účinně snižuje kolísání odpovídajícího paralelního odporu mezi jednotkami.

Další doporučenou metodou je aktivní vyvažování článků, při kterém je každý článek aktivně monitorován a vyvažován proti sobě, když dojde ke změně napětí. Tento přístup snižuje jakékoli dodatečné zatížení jednotky a zefektivňuje práci. Pokud napětí překročí jmenovité napětí jednotky, zkrátí se životnost jednotky. U vysoce spolehlivých superkondenzátorů je klíčovým bodem, jak udržet napětí v požadovaném rozsahu, a nabíjecí napětí musí být řízeno tak, aby nepřekročilo jmenovité napětí každého článku.