Úvod do superkondenzátorov

S rozvojom spoločnosti a ekonomiky ľudia venujú čoraz väčšiu pozornosť zelenej energii a ekologickému prostrediu. Ako nový typ zariadenia na ukladanie energie priťahujú superkondenzátory čoraz väčšiu pozornosť pre svoje nenahraditeľné výhody. Inžinieri začali v niektorých konštrukciách nahrádzať tradičné batérie superkondenzátormi, ktoré si vyžadujú vysoko výkonné a vysoko účinné riešenia. Chyby v technológii batérií Nové batérie, ako sú Li-ion a NiMH, môžu poskytnúť spoľahlivé riešenie skladovania energie a sú široko používané v mnohých oblastiach. Ako všetci vieme, chemické batérie uchovávajú elektrické náboje prostredníctvom elektrochemických reakcií, čo vedie k prenosu Faradayovho náboja. Majú krátku životnosť a veľmi ich ovplyvňuje teplota. To je tiež problém, s ktorým sa stretávajú konštruktéri olovených batérií (batérií).

Zároveň vysoký prúd môže priamo ovplyvniť životnosť týchto batérií, takže pre niektoré aplikácie vyžadujúce dlhú životnosť a vysokú spoľahlivosť vykazujú tieto batérie založené na chemickej reakcii rôzne nedostatky. Vlastnosti a výhody superkondenzátorov Princíp superkondenzátorov nie je novou technológiou. Väčšina bežných superkondenzátorov má elektrickú dvojvrstvovú štruktúru. V porovnaní s elektrolytickými kondenzátormi má tento superkondenzátor veľmi vysokú hustotu energie a hustotu výkonu. V porovnaní s tradičnými kondenzátormi a sekundárnymi batériami majú superkondenzátory vyššiu kapacitu na ukladanie náboja ako bežné kondenzátory a majú vlastnosti rýchleho nabíjania a vybíjania, vysokú účinnosť, žiadne znečistenie životného prostredia, dlhú životnosť, široký rozsah prevádzkových teplôt a vysokú bezpečnosť. . Okrem schopnosti rýchlo sa nabíjať a vybíjať, ďalšou kľúčovou vlastnosťou superkondenzátorov je ich nízka impedancia. Takže, keď je superkondenzátor úplne vybitý, bude vykazovať malú odporovú charakteristiku a ak neexistuje žiadny limit, bude ťahať možný zdrojový prúd.

Preto je potrebné použiť nabíjačku s konštantným prúdom alebo konštantným napätím. Pred 10 rokmi sa superkondenzátory mohli predávať každý rok len vo veľmi malých množstvách a cena bola veľmi drahá, asi 1 až 2 doláre/farad. Teraz boli superkondenzátory dodávané na trh vo veľkých množstvách ako štandardné produkty a cena bola výrazne znížená, v priemere 0,01. ~0,02 USD/farad. V posledných rokoch sa superkondenzátory začali používať v mnohých oblastiach použitia, ako je spotrebná elektronika, priemysel a doprava. Štruktúra superkondenzátorov Aj keď na svete existuje veľa výrobcov superkondenzátorov, ktorí môžu poskytnúť mnoho druhov produktov superkondenzátorov, väčšina produktov je založená na podobnej elektrickej dvojvrstvovej štruktúre. Štruktúra superkondenzátorov je podobná štruktúre elektrolytických kondenzátorov. Veľmi podobné, ich hlavným rozdielom je materiál elektród. Elektródy prvých superkondenzátorov boli vyrobené z uhlíka. Materiál uhlíkovej elektródy má veľký povrch a kapacita závisí od vzdialenosti medzi povrchom a elektródami. Môže byť veľmi veľký, väčšina superkondenzátorov môže byť na úrovni farad a všeobecný rozsah kapacity je 1 ~ 5000F. Použitie superkondenzátorov Superkondenzátory majú široké využitie. V kombinácii s látkami s vysokou energetickou hustotou, ako sú palivové články, môžu superkondenzátory poskytnúť rýchle uvoľnenie energie na uspokojenie vysokých požiadaviek na energiu, čo umožňuje palivové články používať iba ako zdroj energie. V súčasnosti môže hustota energie superkondenzátorov dosahovať až 20 kW/kg, čím sa začala zmocňovať táto časť trhu medzi tradičnými kondenzátormi a batériami.

V tých aplikáciách, ktoré vyžadujú vysokú spoľahlivosť, ale nízke energetické nároky, možno použiť superkondenzátory na výmenu batérií, alebo možno superkondenzátory a batérie skombinovať pre aplikácie s vysokými požiadavkami na energiu, takže je možné použiť menšiu veľkosť. , úspornejšie batérie. Superkondenzátory majú veľmi nízke hodnoty ESR, čo im umožňuje získavať veľké prúdy a rýchlo klesať veľké prúdy. V porovnaní s princípom chemického nabíjania, pracovný princíp superkondenzátorov robí výkon tohto produktu stabilnejším, a preto je životnosť superkondenzátorov dlhšia. Superkondenzátory sú ideálnym zdrojom energie pre zariadenia, ktoré vyžadujú rýchle nabíjanie, ako sú elektrické náradie a hračky. Niektoré produkty sú vhodné pre hybridný systém batérie/superkondenzátoru. Použitie superkondenzátorov môže zabrániť použitiu objemných batérií s cieľom získať viac energie. Príkladom sú digitálne fotoaparáty v spotrebnej elektronike, kde použitie superkondenzátorov umožňuje digitálnym fotoaparátom používať lacné alkalické batérie (namiesto drahých Li-ion batérií). Rozsah menovitého napätia superkondenzátorových článkov (článkov) je 2,5 až 2,7 V, takže mnohé aplikácie vyžadujú použitie viacerých superkondenzátorových článkov. Pri zapájaní týchto článkov do série musí dizajnér zvážiť rovnováhu a nabíjanie medzi článkami. Akýkoľvek superkondenzátor sa vybije cez vnútorný paralelný odpor, keď je napájaný. Tento výbojový prúd sa nazýva zvodový prúd, ktorý ovplyvní samovybíjanie jednotky superkondenzátora.

Podobne ako pri niektorých technológiách sekundárnych batérií, napätia superkondenzátorov musia byť vyvážené, keď sa používajú v sérii, pretože existuje zvodový prúd a veľkosť vnútorného bočníkového odporu bude určovať distribúciu napätia cez sériovo zapojené články superkondenzátora. Keď sa napätie na superkondenzátore stabilizuje, napätie na každej jednotke sa bude meniť so zvodovým prúdom, nie s hodnotou kapacity. Čím väčší zvodový prúd, tým menšie menovité napätie, naopak čím menší zvodový prúd, tým vyššie menovité napätie. Je to preto, že zvodový prúd spôsobuje vybitie článku superkondenzátora, čím sa zníži napätie, čo následne ovplyvňuje napätie ostatných článkov v sérii s ním (za predpokladu, že tieto články v sérii sú napájané rovnakým konštantným napätím). Na kompenzáciu kolísania zvodového prúdu je bežnou metódou pripojenie rezistora paralelne vedľa každej jednotky na riadenie zvodového prúdu celej jednotky. Táto metóda účinne znižuje kolísanie zodpovedajúceho paralelného odporu medzi jednotkami.

Ďalšou odporúčanou metódou je aktívne vyvažovanie buniek, pri ktorom je každý článok aktívne monitorovaný a navzájom vyvážený, keď dôjde k zmene napätia. Tento prístup znižuje akékoľvek dodatočné zaťaženie jednotky, čím sa práca stáva efektívnejšou. Ak napätie prekročí menovité napätie jednotky, životnosť jednotky sa skráti. Pre vysoko spoľahlivé superkondenzátory je kľúčovým bodom, ako udržať napätie v požadovanom rozsahu a nabíjacie napätie musí byť kontrolované, aby sa zabezpečilo, že neprekročí menovité napätie každého článku.