產(chǎn)品分類(lèi)
使用超級(jí)電容（法拉電容）的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)
過(guò)去的十年，材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展把法拉電容從一個(gè)“不成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲(chǔ)能方式。雖然超級(jí)電容的儲(chǔ)能容量與電池相比非常的小，但它可以非常迅速的充、放電，能在使用期限中傳輸數(shù)萬(wàn)次的大功率脈沖，并且很容易滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命需求。超級(jí)電容能非常迅速的充電和放電，并能在任何儲(chǔ)能狀態(tài)中工作，甚至在完全放電的條件下，且對(duì)元件的壽命不會(huì)產(chǎn)生任何不良影響。超級(jí)電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中不可或缺的元件。目前，已有許多廠商認(rèn)識(shí)到超級(jí)電容技術(shù)優(yōu)勢(shì)和高實(shí)用性能，并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級(jí)電容的各類(lèi)系統(tǒng)。
工程師們?cè)谥饕茉丛O(shè)備的設(shè)計(jì)中基本要滿足峰值功率的需求，比如對(duì)于一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)或電池系統(tǒng)，就需要滿足最高負(fù)荷下工作，哪怕這種需求僅持續(xù)幾秒。為了滿足最高負(fù)荷而不是平均負(fù)載設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，顯然會(huì)導(dǎo)致成本的增加和效率的降低。這種系統(tǒng)可以將主要能源設(shè)備中的能量部分儲(chǔ)存為電能，從而改進(jìn)這類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，例如使用電池作為二級(jí)能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，并在需要的時(shí)候迅速釋放這部分能量。這樣的高能傳輸方式為能源系統(tǒng)提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)的輸出能力來(lái)滿足瞬時(shí)峰值功率的需求。但是電池并不能很好的用來(lái)頻繁的提供瞬時(shí)峰值功率；在這方面，超級(jí)電容是最好的選擇。
法拉電容，也被稱為電化學(xué)雙層電容（EDLC）或supercapacitors。它已誕生約有10年的時(shí)間，并首先作為低儲(chǔ)能、低功率，但長(zhǎng)壽命的備份元件用于放像機(jī)（VCR）和鬧鐘上，并且直到最近發(fā)掘其功能之前幾乎沒(méi)有其他的用途。
在過(guò)去的十年中，材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展把超級(jí)電容從一個(gè)不“成熟”的后備器件變?yōu)榱艘环N非常有效的儲(chǔ)能方式。超級(jí)電容也的確已經(jīng)成為動(dòng)力電子領(lǐng)域面向產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中不可或缺的元件?，F(xiàn)在，已經(jīng)有許多廠商認(rèn)識(shí)到超級(jí)電容技術(shù)優(yōu)勢(shì)和高實(shí)用性能，并開(kāi)始生產(chǎn)基于超級(jí)電容的各類(lèi)系統(tǒng)。
一、什么是超級(jí)電容
依據(jù)在一對(duì)電極間維持電場(chǎng)的介質(zhì)電容通常被分為三類(lèi)，普通電容、電解電容和電化學(xué)雙層電容。在這三類(lèi)電容的容量方面，電化學(xué)雙層電容（超級(jí)電容）以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)高居榜首（最高可達(dá)幾千法拉）。這是因?yàn)槌?jí)電容的電場(chǎng)介質(zhì)是由多孔的活性炭和分子級(jí)的電解離子組成。
超級(jí)電容結(jié)構(gòu)組成
法拉電容中的活性炭電極的多孔特殊表面的比表面積可以達(dá)到2000㎡/g，電荷的間隔距離都在10埃以下。一個(gè)擁有良好電解質(zhì)的超級(jí)電容電壓值小于3.0V。
由于注入了高電導(dǎo)率的電解液，并擁有高電導(dǎo)系數(shù)的電極和離子纖維隔離層，超級(jí)電容顯示出相當(dāng)?shù)偷拇?lián)阻抗?，F(xiàn)在，商業(yè)化的超級(jí)電容的能量密度已經(jīng)能超過(guò)5Wh/Kg，功率密度能達(dá)到20kW/kg。
超級(jí)電容本質(zhì)上依據(jù)靜電型能量?jī)?chǔ)存方式而工作，是純粹的物理反應(yīng)，而且完全可逆。超級(jí)電容的充電和放電是由電解液中的離子運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，這種能量?jī)?chǔ)存過(guò)程與電池技術(shù)基于化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程相比較，沒(méi)有任何化學(xué)鍵的結(jié)合或斷開(kāi)。百萬(wàn)次充、放電循環(huán)之后證明超級(jí)電容的循環(huán)壽命非常好。
比較超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)和電池及其他儲(chǔ)能技術(shù)相對(duì)優(yōu)勢(shì)的一個(gè)好方法是將它們畫(huà)在Ragone圖上，它將能量?jī)?chǔ)存和功率儲(chǔ)存對(duì)應(yīng)起來(lái)，并主要顯示能量密度隨功率密度的增加而減小。這是一種把能量?jī)?chǔ)存方式按量定位，并將其歸為從牽引拖動(dòng)到能量緩存等多種用途好方法。
Ragone圖
二、超級(jí)電容特性
超級(jí)電容的特性和電池相比有很多不同。主要的區(qū)別在下面的表中列出。電池比相同尺寸的超級(jí)電容儲(chǔ)存更多的電能，但是在很多功率決定尺寸的儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用中，超級(jí)電容或許是最好的解決方案。
1.超級(jí)電容可以傳送頻繁脈沖的能量而沒(méi)有任何有害效應(yīng)，而許多電池都會(huì)在頻繁的大功率脈沖工況下減少壽命。
2.超級(jí)電容能在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完成充電，而快速充電常常會(huì)損壞電池。
3.超級(jí)電容的循環(huán)周期是數(shù)萬(wàn)次的，而電池的壽命通常是幾百次到1000、2000次。
4.基于低內(nèi)阻的超級(jí)電容比電池效率更高；在實(shí)際應(yīng)用中超級(jí)電容84%～95%的轉(zhuǎn)換效率比多數(shù)電池低于70%的平均效率高出許多。
5.超級(jí)電容能在其許用電壓范圍中的任何電壓值下充電，并且能夠完全放電。這就允許在總線電壓控制算法中更自由的設(shè)計(jì)。而電池過(guò)放電也是會(huì)損壞的。
6.計(jì)算超級(jí)電容中的儲(chǔ)能值只需要知道電壓和電容值。而超級(jí)電容的電容值可以通過(guò)測(cè)量電流和電壓的變化值實(shí)時(shí)的計(jì)算出。而正確的得到電池的儲(chǔ)能值需要經(jīng)過(guò)多重復(fù)雜的計(jì)算，電池的容量通常也是未知的，而且實(shí)時(shí)地測(cè)算也是很困難的。
7.超級(jí)電容有更寬的工作溫度范圍，甚至可以在低至-40℃的溫度下正常工作。而多數(shù)電池在溫度低至-10℃時(shí)就不能工作。
8．超級(jí)電容通過(guò)極化高比表面積電極中的電解質(zhì)工作，電解質(zhì)、電極和隔離層材料的特性決定了超級(jí)電容的電容量性能。高比表面積的電極和小的帶電離子決定了高的電容量；而高效的電解質(zhì)、隔離層和材料，以及工藝設(shè)計(jì)決定了低的阻抗。
因?yàn)槌?jí)電容的能量?jī)?chǔ)存不依賴化學(xué)反應(yīng)，所以它和電池有著根本上的區(qū)別。
三、市場(chǎng)前景及應(yīng)用
在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)很自然想到的是形狀，系統(tǒng)主要的能源儲(chǔ)備應(yīng)當(dāng)能滿足平均耐久要求和相對(duì)的瞬時(shí)峰值功率要求。然而為了滿足這樣的峰值功率是不經(jīng)濟(jì)且不實(shí)用的。系統(tǒng)通過(guò)能夠儲(chǔ)備的電能得到顯著改善，當(dāng)需要高功率時(shí)從主要能量源獲取然后在控制下發(fā)射高壓脈沖傳輸。此時(shí)，超級(jí)電容為短時(shí)所需功率和額定功率不匹配時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)單，可靠的緩沖。這個(gè)功能減小了系統(tǒng)的形狀和成本并改善了系統(tǒng)的性能和可靠性。
實(shí)例應(yīng)用
超級(jí)電容有兩個(gè)主要用途。第一個(gè)是在主能源不足時(shí)作為臨時(shí)補(bǔ)充能源和額外的短時(shí)功能能源。這里當(dāng)超級(jí)電容作為主要能量供給裝置時(shí)，超級(jí)電容已經(jīng)成為相對(duì)于電池的另一個(gè)選擇，同時(shí)還有當(dāng)主動(dòng)力失效時(shí)的后備能源作用。
超級(jí)電容的第二個(gè)作用是峰值供能。這種情況下超級(jí)電容不僅可以單獨(dú)在需要高功率傳送的系統(tǒng)使用，而且還能在一些不僅需要持續(xù)功率放電功能也需要高載荷脈沖功率的系統(tǒng)中作為電池的后續(xù)能源使用。這里超級(jí)電容起到了高功率傳輸時(shí)對(duì)電池的緩解作用，從而增加了電池的使用壽命同時(shí)縮小了電池的尺寸。
盡管現(xiàn)在電池作為主要能量源和能量存儲(chǔ)/峰值功率傳輸設(shè)備得到普遍應(yīng)用，但是超級(jí)電容正成為能量存儲(chǔ)和高功率傳輸設(shè)備而被逐漸采用。
事實(shí)上，任何應(yīng)用場(chǎng)合都需要電能的存儲(chǔ)和快速的充放電功能這就是超級(jí)電容的市場(chǎng)潛力。
