Wprowadzenie do superkondensatorów

Wraz z rozwojem społeczeństwa i gospodarki ludzie zwracają coraz większą uwagę na zieloną energię i środowisko ekologiczne. Superkondensatory, jako nowy rodzaj urządzeń magazynujących energię, cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na swoje niezastąpione zalety. Inżynierowie zaczęli zastępować tradycyjne akumulatory superkondensatorami w niektórych konstrukcjach wymagających rozwiązań o dużej mocy i wysokiej wydajności. Wady technologii akumulatorów Nowe akumulatory, takie jak litowo-jonowe i NiMH, mogą stanowić niezawodne rozwiązanie w zakresie magazynowania energii i są szeroko stosowane w wielu dziedzinach. Jak wszyscy wiemy, baterie chemiczne magazynują ładunki elektryczne w wyniku reakcji elektrochemicznych, w wyniku których następuje przeniesienie ładunku Faradaya. Mają krótką żywotność i duży wpływ na nie ma temperatura. Z taką trudnością borykają się także projektanci akumulatorów (akumulatorów) kwasowo-ołowiowych.

Jednocześnie wysoki prąd może bezpośrednio wpływać na żywotność tych akumulatorów, dlatego w przypadku niektórych zastosowań wymagających długiej żywotności i wysokiej niezawodności te akumulatory oparte na reakcjach chemicznych wykazują różne wady. Cechy i zalety superkondensatorów Zasada działania superkondensatorów nie jest nową technologią. Większość popularnych superkondensatorów ma elektryczną strukturę dwuwarstwową. W porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi superkondensator ten charakteryzuje się bardzo dużą gęstością energii i mocą. W porównaniu z tradycyjnymi kondensatorami i akumulatorami wtórnymi, superkondensatory mają większą pojemność magazynowania ładunku niż zwykłe kondensatory i charakteryzują się dużą szybkością ładowania i rozładowywania, wysoką wydajnością, brakiem zanieczyszczeń dla środowiska, długą żywotnością, szerokim zakresem temperatur pracy i wysokim bezpieczeństwem. . Oprócz możliwości szybkiego ładowania i rozładowywania, kolejną kluczową cechą superkondensatorów jest ich niska impedancja. Tak więc, gdy superkondensator zostanie całkowicie rozładowany, będzie wykazywał małą charakterystykę rezystancji, a jeśli nie ma ograniczenia, będzie pobierał możliwy prąd źródłowy.

Dlatego należy stosować ładowarkę stałoprądową lub stałonapięciową. 10 lat temu superkondensatory można było sprzedawać jedynie w bardzo małych ilościach rocznie, a ich cena była bardzo wysoka, około 1–2 dolarów amerykańskich za farad. Obecnie superkondensatory zostały dostarczone na rynek w dużych ilościach jako produkty standardowe, a cena została znacznie obniżona, średnio o 0,01. ~ 0,02 dolara za farada. W ciągu ostatnich kilku lat superkondensatory zaczęły pojawiać się w wielu dziedzinach zastosowań, takich jak elektronika użytkowa, przemysł i transport. Struktura superkondensatorów Chociaż na świecie jest wielu producentów superkondensatorów, którzy mogą dostarczyć wiele rodzajów produktów superkondensatorów, większość produktów opiera się na podobnej elektrycznej strukturze dwuwarstwowej. Budowa superkondensatorów jest podobna do budowy kondensatorów elektrolitycznych. Bardzo podobne, ich główną różnicą jest materiał elektrody. Elektrody wczesnych superkondensatorów były wykonane z węgla. Materiał elektrody węglowej ma dużą powierzchnię, a pojemność zależy od odległości między powierzchnią a elektrodami. Może być bardzo duży, większość superkondensatorów może mieć poziom faradów, a ogólny zakres pojemności wynosi 1 ~ 5000F. Stosowanie superkondensatorów Superkondensatory mają szeroki zakres zastosowań. W połączeniu z substancjami o dużej gęstości energii, takimi jak ogniwa paliwowe, superkondensatory mogą zapewnić szybkie uwalnianie energii w celu zaspokojenia dużego zapotrzebowania na moc, dzięki czemu ogniwa paliwowe mogą być wykorzystywane wyłącznie jako źródło energii. Obecnie gęstość energii superkondensatorów może sięgać nawet 20 kW/kg, co zaczyna zajmować tę część rynku pomiędzy tradycyjnymi kondensatorami a akumulatorami.

W zastosowaniach wymagających wysokiej niezawodności, ale niskich wymagań energetycznych, superkondensatory mogą zastąpić akumulatory lub superkondensatory i akumulatory można łączyć w zastosowaniach o wysokich wymaganiach energetycznych, dzięki czemu można zastosować mniejsze rozmiary. , bardziej ekonomiczne akumulatory. Superkondensatory mają bardzo niskie wartości ESR, co pozwala im pozyskiwać duże prądy i szybko je pochłaniać. W porównaniu z zasadą ładowania chemicznego, zasada działania superkondensatorów sprawia, że ​​działanie tego produktu jest bardziej stabilne, a zatem żywotność superkondensatorów jest dłuższa. Superkondensatory są idealnym źródłem zasilania urządzeń wymagających szybkiego ładowania, takich jak elektronarzędzia i zabawki. Niektóre produkty nadają się do hybrydowego układu baterii/superkondensatorów. Zastosowanie superkondensatorów pozwala uniknąć stosowania nieporęcznych akumulatorów w celu uzyskania większej ilości energii. Przykładem są aparaty cyfrowe w elektronice użytkowej, gdzie zastosowanie superkondensatorów umożliwia aparatom cyfrowym korzystanie z tanich baterii alkalicznych (zamiast drogich baterii litowo-jonowych). Zakres napięcia znamionowego ogniw (ogniw) superkondensatorów wynosi od 2,5 do 2,7 V, dlatego wiele zastosowań wymaga użycia wielu ogniw superkondensatorów. Łącząc te ogniwa szeregowo, inżynier projektu musi wziąć pod uwagę równowagę i ładowanie pomiędzy ogniwami. Każdy superkondensator rozładuje się poprzez wewnętrzny opór równoległy, gdy zostanie zasilony. Ten prąd rozładowania nazywany jest prądem upływowym i ma wpływ na samorozładowanie jednostki superkondensatora.

Podobnie jak w przypadku niektórych technologii akumulatorów wtórnych, napięcia superkondensatorów muszą być zrównoważone, gdy są stosowane szeregowo, ponieważ występuje prąd upływowy, a wielkość wewnętrznej rezystancji bocznikowej będzie determinować rozkład napięcia w połączonych szeregowo ogniwach superkondensatora. Kiedy napięcie na superkondensatorze ustabilizuje się, napięcie na każdym urządzeniu będzie się zmieniać wraz z prądem upływu, a nie wartością pojemności. Im większy prąd upływowy, tym mniejsze napięcie znamionowe, wręcz przeciwnie, im mniejszy prąd upływowy, tym wyższe napięcie znamionowe. Dzieje się tak, ponieważ prąd upływowy powoduje rozładowanie ogniwa superkondensatora, obniżając napięcie, co z kolei wpływa na napięcia innych ogniw połączonych szeregowo z nim (zakładając, że te ogniwa połączone szeregowo są zasilane tym samym stałym napięciem). Aby skompensować zmiany prądu upływowego, powszechną metodą jest podłączenie rezystora równolegle obok każdego urządzenia w celu kontrolowania prądu upływowego całego urządzenia. Metoda ta skutecznie zmniejsza zmienność odpowiedniej rezystancji równoległej pomiędzy jednostkami.

Inną zalecaną metodą jest aktywne równoważenie ogniw, podczas którego każde ogniwo jest aktywnie monitorowane i równoważone względem siebie w przypadku zmiany napięcia. Takie podejście zmniejsza dodatkowe obciążenie urządzenia, zwiększając wydajność pracy. Jeśli napięcie przekracza napięcie znamionowe urządzenia, żywotność urządzenia zostanie skrócona. W przypadku superkondensatorów o wysokiej niezawodności kluczową kwestią jest utrzymanie napięcia w wymaganym zakresie, a napięcie ładowania musi być kontrolowane, aby nie przekraczało napięcia znamionowego każdego ogniwa.