超级电容电源及应用演示幻灯片.ppt

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1、超级电容电源及应用1什么是超级电容？超级电容是一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流大电流快速充放电快速充放电特性，同时也有电池的储能特性电池的储能特性，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电源2超级电容超级电容储能原理储能原理特性参数特性参数性能比较性能比较应用应用应用电路设计应用电路设计材料材料3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

2、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4双电层电容原理储能原理储能原理双电层电容原理是双电层电容原理是指由于指由于正负离子正负离子在在固体电极与电解液固体电极与电解液之间的表面上分别之间的表面上分别吸附吸附,造成两固体电造成两固体电极之间的电势差极之间的电势差,从从而实现能量的存储。而实现能量的存储。这种储能原理允许这种储能原理允许大电流快速充放电大电流快速充放电,其其容量大小随所选容量大小随所选电极材料的有效比电极材料的有效比表面积的增大而增表面积的增大而增大。大。双电层原理示意图5储能原理储能原理 充电时充电时 ,在固体电在固体电极上

3、电荷引力的作极上电荷引力的作用下用下 ,电解液中阴电解液中阴阳离子分别聚集两阳离子分别聚集两个固体电极的表面个固体电极的表面 ;放电时放电时 ,阴阳离阴阳离子离开固体电极的子离开固体电极的表面表面 ,返回电解液返回电解液本体。本体。双电层的厚双电层的厚度取决于电解液的度取决于电解液的浓度和离子大小浓度和离子大小。双电层电容原理6双电层电极、溶液界面结构示意图Struturediagramoftheinterfacebetweenelectrodeandelectrolyte7（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，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

4、电位沉积，发生高度可逆的化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。也称为电电位有关的电容。也称为赝电容赝电容。储能原理储能原理此时的放电和再充电行为更接近于此时的放电和再充电行为更接近于电容器电容器而不是而不是原电池原电池,如如:（1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系）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）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流流为恒定或几乎恒定的容性充电电流I=Cd

5、V/dt=CK。8储能原理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。9储能原理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

6、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。10制备高性能的超级电容器有制备高性能的超级电容器有2 2个途径个途径:一一 是增大电极材料比表面积是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量从而增大双电层电容量;二二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提高准电容从而提高准电容 容量。容量。但实际上对一种电极材料而言但实际上对一种电极材料而言,这这2 2种储能机理往往种储能机理

7、往往同时存在同时存在,只不过是以何者为主而已只不过是以何者为主而已储能原理储能原理11特性参数特性参数额定容量：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。12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，

8、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。特性参数特性参数13寿命：在25环境温度下的寿命通常在90000小时，在60的环境温度下为4000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2

9、0%，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。特性参数特性参数14等效串联电阻：测试条件：规定的恒定电流（如1000F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

10、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返回特性参数特性参数15性能比较性能比较与普通电容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/kg1-2010000100000比功率W/kg10000.9516性能比较性能比较与其他储能电源比较与其他储能电源比较指标铅酸电池镍氢电池锂电池能量型超级电容器功率型超级电容器比能量（kWhkg-1）30406080100120121546比功率（kWkg-1）20030050

11、080060080060080020002500使用温度（）-3060-2055-1060-4070-3060安全性好一般一般好好记忆性无弱无无无循环次数3004005008006008005000200000充电时间2小时2小时2小时10秒数分种10秒数分种放电电流一般受温度影响一般受温度影响一般受温度影响不受温度影响，放电时间短不受温度影响，放电时间短17材料材料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181、多孔电容炭材料性能要求1、高比表面1000m2/g 理论比电容 250F/g2、高中孔孔容1240 400l/g

12、，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24.9inches自动安装，无需额外驱动程序无线手写板无线手写板SSD固态硬盘FeatureofEnterprisemodeldesignSDRAMtocacheFAT+Data.NeedPowerbackuptoflushtoNAND39为了确

13、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.市电充电控制电路7珠白光LED放电电路开关应急照明灯储能系统应急照明灯储能系统40lUS$170-$225 Market PriceFaraday Flashlight-Linear Generator with ultracapacitor fla

14、shlightLight 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 LED

15、s rated for more than 50,000 hours.Utracapacitor Life:50,000 CyclesLEDLED快充快充快充快充 /动能动能动能动能 手电筒手电筒手电筒手电筒美国美国 Superior Tool Co 设计设计.与与7.2V电池并联使用电池并联使用,提供初始大电流供电提供初始大电流供电 满足冲击大电流供电需求满足冲击大电流供电需求,保护电池保护电池,延长延长电池寿命电池寿命充满情况下充满情况下,可切割可切割100次次,每次约每次约3-5秒秒,相对没有超级电容要相对没有超级电容要5秒以上快秒以上快每次充完电的切割数量提高每次充完电的切割数量提高3

16、0%10F10F10F电动工具电动工具 辅助电池使用辅助电池使用42ColemanFlashcellScrewdriver($80)thisultracapacitor-poweredcordlessscrewdrivercanberechargedinjust90seconds,andits“battery” 无绳电动螺丝刀无绳电动螺丝刀 充电充电9090秒秒产品主要针对不长用业余用家产品主要针对不长用业余用家,但需要快速电及突然大量但需要快速电及突然大量使用使用充满可安装充满可安装2222只螺丝只螺丝,用电池可安装用电池可安装3737只螺丝只螺丝但充电时间为但充电时间为9090秒秒,电池需

17、要电池需要3030分钟以上分钟以上.如果需要安装如果需要安装100100只螺丝只螺丝,要等电池充电要等电池充电,超级电容可不断快速充电超级电容可不断快速充电.5050万次充放电寿命万次充放电寿命,没有电池般记忆效应没有电池般记忆效应,一辈子不用更一辈子不用更换电池换电池.电动工具电动工具 纯超级电容纯超级电容43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%.PwPavgl将剧烈波

18、动的能量变成较平滑的能量输入lrectifierFILTERP utility120V/240V50/60 HzGnd再生能源再生能源-移峰填谷移峰填谷44延长电池寿命延长电池寿命减少电池用量减少电池用量不需要用电池不需要用电池提供长时间后备电源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。l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

19、够的启动电流l发电机启动可靠，消除电池作为候备电源带来不稳定因素l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短时间不间断电源45医疗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，

20、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.46+安装于电动自行车上与24V铅酸电池并联使用10只2.7V220F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动自行车47电梯电梯应急电源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

21、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48为开启门提供爆发动力，16x56FUCs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100k100F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航空航天4

22、9 电动汽车电动汽车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50超级电容电动游览车超级电容电动游览车技术参数：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：18

23、0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：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上海张江高科技园区“创新示范线项目创新示范线项目”上海崇明岛超级电容电动游览车示范线项目上海崇明岛超级电容电动游览车示范线项目51电动电动/混合動力城市客车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

24、刹车能量回收52CDB10/6S型矿用一般型速充式电机车53军事领域军事领域 采用混合电传动技术的采用混合电传动技术的13吨重吨重8轮重型战术卡车，该车将电能存储在轮重型战术卡车，该车将电能存储在超级电容器中，与同级别的卡车相比，超级电容器中，与同级别的卡车相比，燃油消耗率降低了燃油消耗率降低了20%，并且可以提，并且可以提供供100千瓦的可输出功率。停车时，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。个野战医院提供所需的电力。一款被称为一款被称为“先进地面机动车先进地面机动车”的新型混合电传动车辆，该车的通用的新型混合电

25、传动车辆，该车的通用结构与结构与“影子影子”侦察、监视与目标指侦察、监视与目标指示车（示车（RST-V）相似，车轮由轮毂永）相似，车轮由轮毂永磁电动机驱动，发电机也采用磁电动磁电动机驱动，发电机也采用磁电动机公司的机公司的130千瓦永磁水冷发电机，千瓦永磁水冷发电机，此外车上还装有一个锂离子电池组，此外车上还装有一个锂离子电池组，能够产生能够产生65千瓦的脉冲功率，可以为千瓦的脉冲功率，可以为短程静默行驶提供动力。短程静默行驶提供动力。超级电容器配合蓄电池应用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，减效保护蓄电池，延长其寿命，减

26、小其配备容量，特别是在低温和小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏电的情况下，确保可靠蓄电池亏电的情况下，确保可靠启动。启动。蓄电池在低温环境放电能力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。超级电启动，影响了军事战备。超级电容器的工作温度范围宽，可在容器的工作温度范围宽，可在-40环境工作，保证了电启动系环境工作，保证了电启动系统的正常供电，使坦克战车一次统的正常供电，使坦克战车一次启动成功启动成功 舰用声纳舰用声纳舰用声纳舰用声纳/电磁炮电磁炮电磁炮电磁炮 战车混合电传动系统战车混合电传动系统 坦克低温启动坦克低温启动 电磁炮也叫脉

27、冲电源电磁炮，是电磁炮也叫脉冲电源电磁炮，是应用电磁加速技术发射弹丸的一应用电磁加速技术发射弹丸的一种种“纯纯”电能武器。电能武器。轨道式电磁炮发射原型由两轨道式电磁炮发射原型由两条平行的导轨组成，弹丸夹在两条平行的导轨组成，弹丸夹在两条导轨之间。两轨接入电源，电条导轨之间。两轨接入电源，电流经一导轨流向弹丸再流向另一流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨产生强磁场，磁场与电流相导轨产生强磁场，磁场与电流相互作用，产生强大的洛仑兹力推互作用，产生强大的洛仑兹力推动弹丸，达到很高的速度，理论动弹丸，达到很高的速度，理论上可以到达亚光速。只需要一个上可以到达亚光速。只需要一个超大容积的电容器以满足需求。

28、超大容积的电容器以满足需求。瞬间释放电容器储藏的电能，获瞬间释放电容器储藏的电能，获得巨大的电流，瞬间的电磁感应得巨大的电流，瞬间的电磁感应将获得瞬间惊人的电磁推动力。将获得瞬间惊人的电磁推动力。54应用电路设计应用电路设计充电电路设计充电电路设计应用（放电）电路设计应用（放电）电路设计55应用电路设计应用电路设计充电电路设计充电电路设计要点：要点：充电和管理（实例）56应用电路设计应用电路设计充电电路设计充电电路设计57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

29、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

30、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。充电电路设计充电电路设计5859CAN接口接口CAN总线接口示意图60充电电源控制接口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。61超级电容器电源总电压与总电流测量接口超级电容器电源总电压与总电流测量接口总

31、电源电压测量接口总电源电压测量接口62超级电容器电源总电压与总电流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总电源电流测量接口63均衡控制器的设计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。64均衡控制器的设计均衡控制器的设计均衡原理10个单体电容电压均衡电路65均衡控制器的设计均衡控制

32、器的设计两个超级电容单体之间的均衡控制电路66电容参数检测电路设计电容参数检测电路设计均衡控制器的设计均衡控制器的设计电压采集结构67电流采样原理图均衡控制器的设计均衡控制器的设计电容参数检测电路设计电容参数检测电路设计68参数名称单位参数工作电压/OperatingVoltageV0.9-1.55最高电压/Max.VoltageV1.6静态最低电压/MinimumStorageVolgtageV1.0容量/CapacitanceF80000内阻/ESRm0.45储存能量/StorageEnergyKJ60.0最大充电电流/Max.ChargeCurrentA300最大放电电流/Max.DischargeCurrentA300循环寿命/CycleLifeCycles50000重量/Weightg3100外形尺寸/Dimensions(LxWxH)mm98x80 x260工作温度范围/WorkingTemp.Range-2055存放温度范围/StorageTemp.Range-2040单体超级电容器69应用（放电）电路设计应用（放电）电路设计应用电路设计应用电路设计70