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超级电容器

超级电容器概述

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超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又名双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容法拉电容,通过极化电解质来储能。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

 

  超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。

 

  双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10 6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件

 

超级电容器应用

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    1、税控机、税控加油机、真空开关智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑电子门锁、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源

  2、智能表(智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表)作电磁阀的启动电源
  3、太阳能警示灯,航标灯等太阳能产品中代替充电电池
  4、手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池
  5、电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。
  超级电容器是介于传统电容器蓄电池之间的一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。

 

超级电容器工作原理

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超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,与普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下),如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解,为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出:超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。

 

如何选择超级电容器?

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超级电容器的两个主要应用:高功率脉冲应用和瞬时功率保持。高功率脉冲应用的特征:瞬时流向负载大电流;瞬时功率保持应用的特征:要求持续向负载提供功率,持续时间一般为几秒或几分钟。瞬时功率保持的一个典型应用:断电时磁盘驱动头的复位。不同的应用对超电容的参数要求也是不同的。高功率脉冲应用是利用超电容较小的内阻(R),而瞬时功率保持是利用超电容大的静电容量(C)。

  下面提供了两种计算公式和应用实例:

  C(F): 超电容的标称容量;
  R(Ohms): 超电容的标称内阻;
  ESR(Ohms):1KZ下等效串联电阻
  Uwork(V): 在电路中的正常工作电压
  Umin(V): 要求器件工作的最小电压;
  t(s): 在电路中要求的保持时间或脉冲应用中的脉冲持续时间;
  Udrop(V): 在放电或大电流脉冲结束时,总的电压降;

  I(A): 负载电流;

  瞬时功率保持应用

  超电容容量的近似计算公式,该公式根据,保持所需能量=超电容减少能量。

  保持期间所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t;

  超电容减少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),

  因而,可得其容量(忽略由IR引起的压降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

  实例:

  假设磁带驱动的工作电压5V,安全工作电压3V。如果直流马达要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那么,根据上公式可得其容量至少为0.5 F。

  因为5V的电压超过了单体电容器的标称工作电压。因而,可以将两电容器串联。如两相同的电容器串联的话,那每只的电压即是其标称电压2.5V。

  如果我们选择标称容量是1F的电容器,两串为0.5F。考虑到电容器-20%的容量偏差,这种选择不能提供足够的裕量。可以选择标称容量是1.5F的电容器,能提供1.5F/2=0.75F。考虑-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。这种超级电容器提供了充足的安全裕量。大电流脉冲后,磁带驱动转入小电流工作模式,用超电容剩余的能量。

  在该实例中,均压电路可以确保每只单体不超其额定电压。

 

  脉冲功率应用

  脉冲功率应用的特征:和瞬时大电流相对的较小的持续电流。脉冲功率应用的持续时间从1ms到几秒。

  设计分析假定脉冲期间超电容是唯一的能量提供者。在该实例中总的压降由两部分组成:由电容器内阻引起的瞬时电压降和电容器在脉冲结束时压降。关系如下:

  Udrop=I(R+t/C)

  上式表明电容器必须有较低的R和较高的C压降Udrop才小。

 

  对于多数脉冲功率应用,R的值比C更重要。以2.5V1.5F为例。它的内阻R可以用直流ESR估计,标称是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。额定容量是1.5F。对于一个0.001s的脉冲,t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脉冲t/C也小于0.0067Ohms,显然R(0.090Ohms)决定了上式的Udrop输出。

 

  实例:

  GSM/GPRS无线调制解调器需要一每间隔4.6ms达2A的电流,该电流持续0.6 ms。这种调制解调器现用在笔记本电脑的PCMCIA卡上。笔记本的和PCMCIA连接的限制输出电压3.3V+/-0.3V笔记本提供1A的电流。许多功率放大器(PA)要求3.0V的最小电压。对于笔记本电脑输出3.0V的电压是可能的。到功率放大器的电压必须先升到3.6V。在3.6V的工作电压下(最小3.0V),允许的压降是0.6V。

 

  选择超级电容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ohms,DC ESR:0.250Ohms)。对于2A脉冲,电池提供大约1A,超电容提供剩余的1A。根据上面的公式,由内阻引起的压降:1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由内阻引起的压降相比是小的。

 

  结论

  不管是功率保持还是功率脉冲应用都可以用上公式计算.当电路的工作电压超过超电容的工作电压时,可以用相同的电容器串联.一般地,串联应该保持平衡以确保电压平均分配.在脉冲功率应用中由超电容内阻引起的压降通常是次要因素。电容器超低的内阻提供一种克服传统电池系统阻抗大的全新的解决方案

 

超级电容器使用注意事项

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1、超级电容器具有固定的极性。在使用前,应确认极性。
  2、超级电容器应在标称电压下使用:
  当电容器电压超过标称电压时,将会导致电解液分解,同时电容器会发热,容量下降,而且内阻增加,寿命缩短,在某些情况下,可导致电容器性能崩溃。
  3、超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中,高频率的快速充放电会导致电容器内部发热,容量衰减,内阻增加,在某些情况下会导致电容器性能崩溃。
  4、超级电容器的寿命:
  外界环境温度对于超级电容器的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。
  5、当超级电容器被用做后备电源时的电压降:
  由于超级电容器具有内阻较大的特点,在放电的瞬间存在电压降,ΔV=IR
  6、使用中环境气体:
  超级电容器不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所,这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀,导致断路。
  7、超级电容器的存放:
  超级电容器不能置于高温、高湿的环境中,应在温度-30+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存,避免温度骤升骤降,因为这样会导致产品损坏。
  8、超级电容器在双面线路板上的使用:
  当超级电容器用于双面电路板上,需要注意连接处不可经过电容器可触及的地方,由于超级电容器的安装方式,会导致短路现象。
  9、当把电容器焊接在线路板上时,不可将电容器壳体接触到线路板上,不然焊接物会渗入至电容器穿线孔内,对电容器性能产生影响。
  10、安装超级电容器后,不可强行倾斜或扭动电容器,这样会导致电容器引线松动,导致性能劣化。
  11、在焊接过程中避免使电容器过热:
  若在焊接中使电容器出现过热现象,会降低电容器的使用寿命,例如:如果使用厚度为1.6mm的印刷线路板,焊接过程应为260℃,时间不超过5s。
  12、焊接后的清洗:
  在电容器经过焊接后,线路板及电容器需要经过清洗,因为某些杂质可能会导致电容器短路。
  13、将电容器串联使用时:
  当超级电容器进行串联使用时,存在单体间的电压均衡问题,单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压,从而损坏这些电容器,整体性能受到影响,故在电容器进行串联使用时,需得到厂家的技术支持。
  14、其他:

  在使用超级电容器的过程中出现的其他应用上的问题,请向生产厂家咨询或参照超级电容器使用说明的相关技术资料执行

 

超级电容器与电池、传统电容器比较

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超级电容器不同于电池,在某些应用领域,它可能优于电池。有时将两者结合起来,将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来,不失为一种更好的途径。
  超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围,如果过放可能造成永久性破坏。
  超级电容器的荷电状态(SOC)与电压构成简单的函数,而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。
  超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量,电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中,超级电容器是一种更好的途径。
  超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响,相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。
  超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。

  超级电容器可以反复循环数十万次,而电池寿命仅几百个循环。

超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。

  传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄。

  超级电容器的面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离(<10 &Aring;)和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量,这也是其“超级”所在。

超级电容器应用前景分析

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一、运输业

    1、混合动力汽车

    用于公交车和卡车的混合电力、氢气和基于燃料电池的动力系统提高了燃油效率,降低了有害排放。该类型混合架构对于执行大量“停走”驱动的大型车辆特别有吸引力,如市内运输公交车和货运卡车。传统的公交车和卡车的效率很低,产生高度有害的排放,因为它们硕大的引擎(通常是柴油机)持续不断地给车辆加速和减速--这是一种效率最低的产生动力的方式。    

    在串联混合系统中,较小的引擎与发电机紧密配合,在恒定、有效的速度和功率输出级上工作。当车辆动力暂时需要增加的时候,如加速期间或爬山时,要从车上由电池和超级电容组成的能量储存系统吸取电力。当车辆的动力需求较低时,该能量储存系统被充电。这样不仅仅能量效率增加了,而且车辆能够通过再生制动(regenerativebraking)在它减速时重新回收(加速时付出的)能量。

  

 

2、电动汽车     

    采用基于超级电容的方案开发了单轴并联式混合动力轿车,实现了发动机管理系统、全浮式ISG电机、电控双离合器、电控双驱动空调等多项核心技术的创新。研究了混合动力轿车系统的控制策略,优化匹配了发动机和电机的扭矩分配,实现了混合动力的节能和降低排放的优点。系统首先对纯发动机电控系统的标定匹配试验工作,排放达到了欧三标准。然后进行了混合动力系统的起动和怠速优化试验,实现了混合动力的起动控制参数的优化匹配,降低了起动污染物的排放,提高了燃油的经济性。

    国外混合动力轿车使用超级电容技术已有先例。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;其使用的基础材料价格也很便宜,适合频繁加速和减速的城市交通工况。在国内,超级电容价格相对于电池要便宜的多,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,满足混合动力工况需求,并且随着其技术的日益成熟和车载示范运行的不断深入,超级电容将会快速进入汽车市场,使产量上升,价格下降。

    采用性价比优良的超级电容储能装置,开发低成本、高可靠性的混合动力系统。经过大量的方案选型和设计,采用并联单轴混合动力方案,集成发动机、ISG电机、超级电容和双离合器等部件。它是将盘式一体化起动机/发电机直接安装在内燃机曲轴输出端,电机转子和发动机曲轴直接连接,定子固定在发动机机体上。电机取代了飞轮以及原有的起动机和发电机。   

 

 

 3、车辆低温启动    

    超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能。将16.2V-250F超级电容与12V45A的蓄电池并联启动1.9L柴油机的汽车,在-10℃时平稳起动,尽管在这种情况中,当不连接超级电容器,蓄电池也可以启动,但采用超级电容器与蓄电池并联时启动电动机的速度和性能都非常得好。由于电源的输出功率的提高,启动速度由仅用蓄电池的时候启动速度300/min,用超级电容器与蓄电池并联时就会增加到450/min;而提高汽车在冷天的起动性能(更高的起动转矩),超级电容器是非常有意义的,在-20℃时,由于蓄电池的性能大大下降,很可能不能正常启动或需多次启动才能成功,而超级电容器与蓄电池并联时则仅需一次点火。其优点非常明显。 

 

4、轨道车辆能量回收

    超级电容器应用于轨道车辆中。在轨道车辆制动的时候,回收制动能量,存储于超级电容器中,当车辆再加速时,超级电容器将这些能量释放出来。节省了30%的能量。同时,每辆车用2个系统,单个系统功率提升至300kw。这样可以使网络上可以运行更多更快的车辆。

 5、航空航天    

航空航天

    为开启门提供爆发动力,16x56UCs

    使用寿命25年,140000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100kPC100产品

    设计变成BCAP0140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

    应用超级电容器的优势

    质量小

    高循环寿命

    高可靠性

    免维护    

 

  6、电动叉车      

    物料搬运用氢燃料电池动力包

    结构:燃料电池与超级电容器结合

    燃料电池:14kW额定功率

    超级电容器包:

    48V额定电压,300F

    40kW峰值功率

    混合动力叉车设计

    电动叉车:超级电容器与燃料电池或电池并联

    柴油发动机:用超级电容器混合驱动传动机构

    传送和接收峰值功率,最佳化主能量源尺寸

    能量回收

    节省燃料

    更长工作时间    

 

 

 7、 起重机   

起重机

    一种利用超级电容的轮胎式龙门集装箱起重机,它的主要工作机构有起升机构、小车机构和大车机构。起升机构在起升时耗电,由柴油发电机组供给,下降时其势能转换成电能反馈给轮胎式龙门集装箱起重机,小车机构和大车机构在驱动和运行时耗电,在制动时反馈电能给轮胎式龙门集装箱起重机。

    其特征在于,由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置,转换成直流电源DC,DC电源通过交流变频器中的变频装置,将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源AC,用于驱动起升、大车或者小车机构;将超级电容并联在DC电源总线上,利用DC总线监测电压变化范围,在电压上升时充电,在电压下降时放电,随着超级电容不断放电,其端电压下降,DC总线电压跟着下降,当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时,柴油发电机组开始参与供电,在制动时反馈电能给超级电容,超级电容不断得到反馈的能量的充电,又不断地释放电能;当轮胎式龙门集装箱起重机的工作机构处于再生反馈状态时,机构将能量反馈到DC总线上,DC总线电压在电压变化范围内逐步上升,使超级电容不断吸收电能;当DC电压由工作机构电机再生反馈电能引起上升时,超级电容进入充电状态,随着超级电容不断充电,其端电压上升,DC总线电压跟着上升,所有机构的反馈能量都被超级电容吸收。利用大容量超级电容器,可以短周期大电流充电和放电,在起动时能迅速大电流放电,下降时能迅速大电流充电,将能量吸收,起到节能环保的作用。

 

 

 

 

  二、工业

    1、手电筒    

    在需要使用手电筒的紧急情况下,却发现手电筒越来越暗淡无光,是十分令人沮丧的,因为电池的寿命已至。即使是现代的LED手电筒,也需要数小时充满电,而且电池的循环寿命很短。

    电池的所有这一切都可能成为历史。一种使用超级电容器而不是电池做为储能元件的手电筒,充电只需90s,循环寿命可达50万次。如果您每天使用一个充放电循环,可使用约135年。

    这种战术手电筒是为专业用户开发的,主要是如警察和军队。 

    

 2、直流屏储能系统  

直流屏储能系统

    直流屏作为供电电源,在变电站、发电厂、大中型厂矿企业等供电系统中占有很重要的地位,主要用于向控制、保护、通信设备、自动装置操作机械和调节机械的传动机构供电,同时还可以作为独立的事故照明电源,所以其性能及可靠性直接影响到整个供电系统的正常安全运行。

    由蓄电池组成的直流屏,可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的直流供给,在一些重要变电站(如110kv及以上级别的变电站)应用广泛。然而有些不重要的末端站及用户站,实际上并不需要停电后长时间的直流供给,只是在分、合闸操作时需要直流电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直流屏,必然带来很高的运营成本,设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。另外故障率也因其电池的多节串联而增加,任何一节电池有问题,都将影响整个蓄电池组的正常工作,且废弃蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存在的问题,人们迫切希望有较好的办法来解决,超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。

    超级电容器与电池相比,具有许多电池无法比拟的优点。

    (1)具有非常高的功率密度。

    (2)充电速度快。

    (3)使用寿命长。

    (4)低温性能优越。

    (5)超级电容器使用的材料安全、无毒、环保,并且免维护。而蓄电池需要经常维护,废弃的蓄电池对环境带来很大危害。

    目前,高压开关柜的操作机构大多采用CD2、CD10、CD17等型号,其合闸电流一般在100~200A,超级电容器完全可以在短时间内提供这样大的电流。经过对直流屏的简单改造,完全可以替代蓄电池对电磁操作机构供电。

    放电过渡过程结束时刻超级电容器两端电压与蓄电池两端电压非常接近,电流值与理论分析非常接近。因该合闸线圈通电0.2S后,电磁机构合闸的动作完成,其辅助开关K切断合闸线圈回路,在0.2秒内,超级电容器的端压和电流稍有下降,但其平均值与蓄电池基本相同,因此,在合闸过程中,超级电容器能提供与蓄电池同样大的功率和能量。由于超级电容器此时处在浮充状态,其充电时的能量的恢复要比蓄电池快得多,能够及时满足下次分、合闸要求,这是超级电容器优于蓄电池的一个很好的性能。从以上的分析可以看出,用超级电容器可以很方便的替代直流屏蓄电池进行分、合闸操作,在电气线路整改方面,如果充电机容量足够大,可调电位器功率满足要求,电气线路不必做整改,而如果上述条件不能满足要求,只需对其充电线路中加合适的限流电阻即可用电容器替代直流屏中的蓄电池。   

 

 

 

   3、应急照明灯储能系统  

    为了确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。

    图1介绍了一款采用超级电容器的应急照明灯,使用了2只2.3V-120F的超级电容器。超级电容器在一次充满电后可维持LED灯工作1小时,而平时由外部电源为超级电容器充电。只有当出现紧急情况时,才由超级电容器工作。

 

 

 

 4、UPS

    UPS起作用往往是在掉电或电网电压瞬时塌波的最初几秒到几分钟内起决定作用,需要蓄电池在这段时间提供电能,蓄电池自身的缺点(需定期维护、寿命短)使UPS在运行时需要时刻检测蓄电池的状态。在数据保护的备份系统中,需UPS提供的时间相对很短,而蓄电池的大部分能量没有被应用,如果选择低容量的蓄电池则不具备强大的放电能力。从短时期作用角度考虑,超级电容的优势尤为明显,其输出电流几乎没有延迟地上升到高达数百安培甚至上千安培,而且可以快速地充电,超级电容在很短的时间内就可以实现能量存储,所以在下次电源故障时又可以起作用,尽管超级电容器的储能明显低于蓄电池,仅能维持很短的时间,但是当储能释放时间在1min左右时有无可比拟的优势——具有500000次循环和十年不需要护理,使UPS真正实现免维护。

    不间断电源在工厂的许多重要的地方(如半导体制造业)是不可缺少的,超级电容器在为短时间模式的系统失误的设计中是一个非常理想的器件。即使是很短时间的电源故障——市电的小或大的起伏都会导致联机系统的严重混乱或造成自动装配线路的严重损坏,在医院里如果失误发生在手术室,这样的电源失误可能危及到一个人的生命,超级电容器使能量存储设备(如蓄电池或充电电池)和大容量的电解电容之间得以充备,它的容值中等,使得电源密度介于这两个存储设备之间。这意味着当在很短的时间需要很高功率的UPS的应用的时候超级电容器很适合,它的优势在于较短的时间内(几秒到1min)它具有短时释放极高功率的能力。

    通过在输入输出之间加上一个滤波电路,并把电池连接到电路中,网络交互式UPS可以有效地防止欠电压,但是持续时间较长的过电压仍然会影响到负载,

    在线式UPS是最安全最理想的解决方案,它使负载完全从电网中解脱出来,在线式UPS系统的灵敏对于高度关键负载(如计算机)和负载敏感的制造系统是非常重要的。

    专业UPS系统(如主机制造)要求非常严格,即使非常短暂的中断也会导致整个系统崩溃。实际上对于UNIX系统与工作站可以找到相似的规律,在传送数据到硬盘之前UNIX最先将所有数据存储到它的存储器中,这个重要的数据即使在很短的中断也会丢失。实际上,UNIX系统不像PC那样简单地再启动,这个过程需要很长的时间。

    因此,特殊关键时刻是第一个5s,最关键的损坏或消耗80%,出现在生产制造过程中,从数据丢失到损坏或毁坏都发生在电源故障的前5s。比较普通能量存储设备(如蓄电池、电池组或电容),可以看出它们不是以相同速度释放存储在它们内部的能量,它们有不同的功率和能量密度。

    超级电容器具有低浮充电电流,简单充电,高峰值电流。

    因为浮充电流只有几毫安,非常低,所以,在UPS应用中超级电容器是非常理想的。上述特点使它们非常适用于在线UPS系统。

    在最简单的情况下,超级电容器通过2.5V直流恒压电池充电,并不要求充电电压平稳光滑。通常不需要充电电流的限制。在电源出现故障的时候,超级电容器输出电流在指定时间内几乎没有延迟地上升到400A,由于内阻非常低,它们可以快速地充电,超级电容在很短的时间内就可以实现能量存储,所以在下次电源故障时又可以起作用。

    以后更重要的是保护临界负载,因为不能总是保证电源网络的稳定性,因此对于短路、瞬间击穿或是由开关状态时的大的负载引起的故障,功能强大、相应快速的UPS单元可以阻止这种情况下的主要的损坏。超级电容器在很多系统中扮演着极为重要的角色,它能确保工作寿命、不需要维护而且可靠性最高。根据这些特性得出结论.今天的UPS系统经常以电容和蓄电池的结合为基础建立。

 

 

 

  5、电信   

    铅蓄电池为电信和数据通信提供能量存储,这些备用电源通常只需提供几分钟到几小时的电源。此外,它们还“桥接”发电机、燃料电池或其他长期备用电池作为短期储能装置.铅蓄电池是合用的,因为它成本低。但是,它们在典型的工作条件下的可靠性常常受到关注。在许多系统中.蓄电池主要在秒数量级的短期中断时起作用.能量脉冲重复地瞬时中断将使蓄电池降低可靠性和缩短寿命己发现有两种技术能解决这些问题。一种是飞轮储能基(Flywheel—based)系统使用大的旋转飞轮存储机械能,当需要时再转变成所需的电能。另一种是超级电容器(也称电化学双层电容器)储能方法。由于性能、尺寸、需要的维护和成本的不同.它们各适用于不同的场合。

    超级电容器的发展潜力具有更广的应用范围。从数码相机、燃料电池到卡车、火车.采用超级电容器的产品项目不断增加,电信工业采用超级电容器是一种新颖的应用,结合超级电容器电子电路开发的电能超高速缓冲存储器(Powercache)储能模式,创造一种模仿48V电池工作的装置,它只提供几秒钟的备用电源。同时,它还桥接长期电源。这种以超级电容器技术为基础的电信产品具有十分卓越的优点——不须维修地工作10年,能快速再充电和抗干扰能力强。但是,它的成本是48V电池的2~3倍,然而,该装置的寿命又是蓄电池的3~4倍。这样.这种新产品的附加成本仍是可以接受

 

 

  6、远程抄表

    远传水表系统包括:无线远传水表(超级电容器供电)、楼宇主机(交流供电)、集中器(交流供电)及管理中心的智能抄表控制系统软件。

    单抄方式:无线远传水表的数据由无线方式自动上传给楼宇主机,楼宇主机通过无线方式把数据传给集中器,集中器通过手机的GPRS/GSM网络把数据传给管理中心的计算机,由此实现在管理中心自动抄录所有的水表数据。

    单抄+远程控制方式:除上述单抄方式的功能外,无线远传水表内部带有阀门,管理中心可对无线远传水表下达开/关阀命令,实现对水表的远程控制。

    单抄+IC卡控制方式:此方式除具备单抄方式的功能外,无线远传水表还带有非接触IC卡电路和阀门,可实现IC卡预付费功能。管理部门可通过IC卡对水表进行收费管理。

 7、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

 

 

  8、智能三表   

    

    超级电容封装在水表中,同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电,在需要开启水阀时,先检测超级电容是否存储足够能量,如果没有存储足够能量,将不开启水阀,当检测它存储足够能量时,由外接干电池提供能量将水阀开启;在需要关断水阀时,如果外接电池不能提供能量将水阀关断,那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱,平时将水存储起来,在停水时提供必要的水。

    这种方案明显优于以前的设计,优点如下:

    1、将电池从水表中分离出来,从而可以不考虑电池寿命对水表的影响,延长了水表的使用时间。

    2、另一方面,超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性,在外接干电池电量不足时,仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。

    3、以前一味追求的漏电流指标,主要是为了保障电池的使用寿命,改用超级电容后,漏电流指标变得不重要。如果电池电量不足,用户可以随时更换。这样,不仅使电路设计简化,减少产品的出厂检验工序,还使产品的成本降低。    

 

 

 

 9、税控收款机 

    税控收款机是一种具有法律严肃性和不可破坏性的带有计税功能的收款机。它内部装有自动记录但不能更改和抹掉的计税存储器,记录着每日的营业数据和应纳税额,是向纳税机关纳税的凭据。

    纳税户销售商品在税控收款机中的记录与相关的时间等信息可在机内保留5~10年,不可修改、不可清除。有关数据由税务部门用专用IC卡读出,以便稽查。每台税控收款机经税务部门发行处理后具有唯一性。

    此税控收款机都具有断电保护功能,即当出现突然断电时,仍能将数据存储,并能进行短时间IC读写卡的操作过程,这时需要有后备电源作保护。后备电源有两种解决方案:超级电容器和电池。超级电容器与电池相比具有放电电流大,循环寿命长、绿色环保等特点。使用超级电容器增强了税控收款机的可靠性,免除了电池需要每隔2-3年维护更换一次的工作。在断电时,由超级电容器为控制电路提供能量,CPU可在短时间执行数据存储过程,读写完成后,电容器再提供瞬间脉冲电流(几A),将IC卡弹出。

 

 

 

10、电动玩具   

    在电子玩具中,常要求瞬时大电流,而电池无法提供,将超级电容器与电池组合可以解决问题,超级电容器也可以作为电源对电子玩具供电,可以降低使用成本、减轻质量。

    最典型的就是可以飞的玩具级电动飞机,电动玩具飞机之所以不能飞起来的主要原因是就现在的材料水平而言,玩具飞机如果不计电源和电动机的质量将是极其轻的,电动机也可以做得很轻,最重的便是电池。如果让飞机飞起来,电池能提供的功率与电动机牵引飞机飞起来的功率相差很多。专业航模的飞机可以不计成本,并且采用高倍率放电的充电电池,个头也相对很大,远远超出玩具的概念,如果采用质量远低于电池甚至远低于电动机的超级电容器就可以很好地解决电源质量与电源功率的矛盾。一只4.7F超级电容器不到10克,而两节6号电池将重达近50克,三节镍氢电池则更重300克。  

 

 

 

 

  11、电动工具

    一种自动的切管工具用于替代一种已经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实际应用,这种工具是一种类电池的解决方案,能提供瞬间高功率及长寿命。并且要求快速充电,一次充电能满足100次的切割工作。为了便携,这种设备还要求不带电线外供电。同时比市场上不带电线供电的工具的表现更优越。

    超级电容器与电池混联进行切割时间小于5秒的测试。最初只用碱性电池测试,切割时间为10S,远长于5S。使用超级电容器与电池并联能提供3—5S切割时间,切割次数为100次。这是一种明显的变化当允许超级电容器来承担高的电流。目前虽然NIMH电池的性能已改善,切割时间已增加30%预计电池寿命会由于减少峰值电流加倍。结果表明,附加了超级电容器后能使产品满足应用的需求性能。     

 

 

 

 

12、便携式除颤器

    便携电源超级电容器可以作为便携式除颤器的放电电容。大致要求电压范围为4000V至5000V,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。这样的除颤器的储能电容器的体积很大,不可能用于便携式应用。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,如400J储能仅需25F即可,即使按100F计算,其体积也仅仅为Φ25*45。由于超级电容器的电压很低,可以用功率变换器将电压提高到需要水平。

 

 

 

 

  三、再生能源

    1、太阳能

    随着地球资源的日益贫乏,基础能源的投资成本日益攀高,各种安全和污染隐患可谓是无处不在。太阳能作为一种"取之不尽,用之不竭"的安全、环保新能源越来越受到重视。这样,太阳能照明产品随着太阳能热水器普及之后应运而生,在这里就太阳能灯具和使用市电灯具的效果作实用对比。

    对比一:市电照明灯具安装复杂:在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序,首先要铺设电缆,这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试,如任何一条线路有问题,则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能照明灯安装简便:太阳能灯具安装时,不用铺设复杂的线路,只要做一个水泥基座,然后用不锈钢螺丝固定就可。

    对比二:市电照明灯具电费高昂:市电照明灯具工作中有固定高昂的电费,要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换,维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费:太阳能照明灯具是一次性投入,无任何维护成本,三年可收回投资成本,长期受益。

    对比三:市电照明灯具有安全隐患:市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。

    太阳能照明没有安全隐患:太阳能灯具是超低压产品,运行安全可靠。太阳能照明的其它优势:绿色环保,能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点;可持续降低物业管理成本,减少业主公共分摊部分的费用。

    综上对比所述,太阳能照明安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性,将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显效果。

 

 

 

   2、风能      

    中国有超过40家企业已经开始制造全套风力发电机组,已经成为目前风能行业第四大重要市场。而从未来的发展前景来看,中国市场则位居第一。2007年,中国国产的风力发电机组占到了本地市场份额的56%,2006年这一数据为41%。目前中国本土产能不断扩大,已达到约5000兆瓦,预期到2010年可达10-12千兆瓦,平均每年将安装2500套以上的兆瓦级风机。根据2005年7月出台的《关于风电建设管理有关要求的通知》,中国的风电设备国产化率必须达到70%。

    直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱,零部件数量相对传统风电机组要少得多。因此,兆瓦级风力发电机组多采用直驱式风力发电机组。直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机,叶片在运行期间,它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。因此,在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。在高风速下,改变桨距角以减少功角,从而减小了在叶片上的气动力。这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。在桨距调节过程中,需要储能系统为变桨系统提供动力。

    目前主要的储能系统有蓄电池和超级电容器两种方案。在使用过程中,逐渐发现蓄电池有一些难以克服的缺点:蓄电池的充放电特性不好,充电时间长,充电、放电电流不能太大;蓄电池需要维护,而变桨系统安装在100米高的风机上,维护成本太大;蓄电池的低温特性不好,在寒冷季节容量会衰减;蓄电池的循环寿命短,可靠性不强。

    国外风机厂家为了保证整个风机的可靠性,都陆续使用超级电容器作为解决方案。国内风机厂家风力发电变桨储能系统上有的使用蓄电池方案,有的在使用引进的国外成套变桨系统方案包含有国外超级电容器储能电源。

    超级电容器的特点突出:高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、状态易监控、长循环寿命、长工作寿命、免维护、环保。因此它极为适合在风力发电机组这样的工况环境中工作。风力发电变桨用超级电容器储能系统主要为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态,在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度,以满足发电机所处的工作状态在最优状态。

    风力发电变桨用超级电容器储能电源的基本工作原理为:平时,由风机产生的电能输入充电机,充电机为超级电容器储能电源充电,直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要为风力发电机组变桨时,控制系统发出指令,超级电容器储能系统放电,驱动变桨系统工作。

 

 

 

 四、军事领域

    1、战车混合电传动系统 

    采用混合电传动技术的13吨重8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,燃油消耗率降低了20%,并且可以提供100千瓦的可输出功率。停车时,发电机能够为一个指挥控制中心或一个野战医院提供所需的电力。

    一款被称为“先进地面机动车”的新型混合电传动车辆,该车的通用结构与“影子”侦察、监视与目标指示车(RST-V)相似,车轮由轮毂永磁电动机驱动,发电机也采用磁电动机公司的130千瓦永磁水冷发电机,此外车上还装有一个锂离子电池组,能够产生65千瓦的脉冲功率,可以为短程静默行驶提供动力。    

 

 

 

 2、舰用电磁炮    

    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种“纯”电能武器。

    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动弹丸,达到很高的速度,理论上可以到达亚光速。计划将上千颗超级电容器并接在轨道上,瞬间释放电容器储藏的电能,获得巨大的电流,瞬间的电磁感应将获得瞬间惊人的电磁推动力。

    在目前的试验中,这种解决方案已经产生的与常规爆炸相当的效果,而且没有任何搬运、储存和能源消耗方面的风险。

    脉冲电源主要为旋转装置提供能量,目前有两种利用洛伦兹力快速产生所需高脉冲电流以加速弹丸的方法。一种是将研制中的脉冲交流发电机作为主要能量储存装置,另一种是使用高储能密度电容器。今后的发展方向为将电磁炮作为直接火力支援武器安装在战斗车辆上,所以关键技术在于解决高储能密度问题。有关脉冲电源技术以及电容器技术已经成熟,只需要一个超大容积的电容器以满足需求。

 

  3、坦克低温启动

 

    超级电容器配合蓄电池应用于内燃发动机电启动系统,能有效保护蓄电池,延长其寿命,减小其配备容量,特别是在低温和蓄电池亏电的情况下,确保可靠启动。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启动,影响了军事战备。超级电容器的工作温度范围宽,可在-40℃环境工作,保证了电启动系统的正常供电,使坦克战车一次启动成功。

超级电容器在电动车上的应用解析

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电动汽车属于新能源汽车,包括纯电动汽车,BEV)、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车(FuelCellElectricVehicle,FCEV)三种类型。它集光、机、电、化各学科领域中的最新技术于一体,是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源和新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车与传统汽车在外形上没有什么区别,它们之间的主要区别在于动力驱动系统。
  电动汽车采用蓄电池组作储能动力源,给电机驱动系统提供电能,驱动电动机,推动车轮前进。虽然电动汽车的爬坡度、时速不及传统汽车,但在行驶过程中不排放污染,热辐射低,噪音小,不消耗汽油,结构简单,使用维修方便,是一种新型交通工具,被誉为“明日之星”,受到世界各国的青睐。

全球每年通过公交系统在固定线路上出动的运输车辆约是5000亿次,其中人们最普遍使用的运输工具仍是公交车辆。2000年的销售量为l8-3万辆,今后5年里,每年销售达到22。0万辆。美国达4.0万辆。估计到2010年公交车辆的拥有量将达65万辆。这么多车辆若不进行改造,仍然采用柴油或汽油,那需要的油料量将成为沉重的负担,造成的空气污染也很明显圈。
  据估计燃料电池在最近十年内还不可能达到规模化生产嘲。撇开成本昂贵的燃料电池不说,我国已在使用或即将推广的车用乙醇汽油、天然气车的项目,也摆脱不了高成本的困扰:由于燃料乙醇的生产成本高于汽油,国家有关部门正在制定补贴方寨,以使车用乙醇汽油的价格与同号汽油持平;研究与探讨然气发动机的价格比同排量柴油机成倍增,在全国率先批量装备天然气发动机的北京市公交总公司有关人士承认,目前天然气车主要满足长安街一线的运营需要191。
  而超级电容器正好解决了这一难题,超级电容器的容量有足够大,成本很低,对环境又无污染。
  大功率的超级电容器对于电动汽车的启动、加速和上坡行驶具有极其重要的意义:在汽车启动和爬坡时快速提供大功率电流;在汽车正常行驶时由蓄电池快速充电;在汽车刹车时快速存储发电机产生的大电流,这些可以减少电动汽车对蓄电池大电流充电的限制,大大延长蓄电池的使用寿命,提高电动汽车的实用性。鉴于电化学超级电容器的重要性,各工业发达国家都给予了高度重视,并成为各国重点的战略研究和开发项目。
1.1在纯电动车上的应用及发展
      超级电容对整车动力性能的影响主要在于对续驶里程的影响。超级电容的容量、能量密度、放电深度、功率密度等性能参数都会影响车辆行驶的能量消耗和续驶里程川。
  哈尔滨工业大学电磁与电子技术研究所研究出用超级电容器做储能器件的电动客车,这是一种只需充电I5分钟便能连续行驶25公里,而最高时速可达52公里的电动客车。据悉,由该所承担的省“十五”科技攻关重大项目——“以电容为能源的电动车”
  等3个项目,已通过省科技厅鉴定。该项研究在以电容为能源的电动车续驶里程、最高车速等方面达到了国际先进水平。这种超级电容电动客车的研制为国内首创,其性能指标达到了国际同类产品的先进水平。
  该项目在整车控制技术、电驱动技术、电容管理均衡技术方面实现了突破和创新。据了解,目前在国际上,污染小、节省能源的电动汽车已引起相当高的重视。在电动车的部件中,超级电容器凭借使用寿命长、安全性强等特点,已成为电动汽车开发的重要方向之一。这种以电容为能源的电动客车无污染、零排放、低温特性好,适合于北方城市公交运行,具有良好的市场前景和社会效益I嘲。
  将超级电容器应用到电动公交车上已经是一个很热门的话题了。由于公交线路站点是固定不变的,超级电容器的充电时间很短,在一分钟之内即可完成,所以可以利用公交车进站的时间充电,这样既不影响乘客的乘车时间,又不会像现在的有轨电车那样车顶上必须有两个“辫子”,这样也省去了电车轨道设置的费用,看起来也更美观一些。超级电容器有个缺点就是能量密度小,充电一次只能跑,但它的充电速度快,充完就可以接着跑。跟铅酸电池比较这一点要好很多,铅酸电池充一次电得要5—8小时,所以只要在线路上合适的地方建立一个超级电容器电动大客车充电站就可以了,而投资建设一个这样的充电站的费用比建一个加油站小得多,也比建设一个同样规模的加气站或铅酸电池充电站省钱。
1.2在混合动力车上的应用
      纯电动汽车尽管具有上述优点,但由于电池容量的限制,致使车辆在续驶里程和爬坡、加速性能上不及通常的汽车。虽然人们在蓄电池的研究开发上做了多方努力,也难以达到通常轿车那样,加满油后可行驶4OO一500公里的里程[91。要充分满足用户的欲望,目前仅靠现有蓄电装置的性能是难以实现的,于是就有了混合电动车的出现。I“混合动力车是专门为城市公共交通设计开发的,既可用电又可用油,是短期内电动汽车最现实的产业化产品。这种车与同类型的传统汽车相比尾气排放可减少50%70%,降低燃油消耗30%以上,能够满足日益严格的环保要求,既有电动车的节能和低排放的特点,又具有燃油汽车的方便性能Il21。混合动力源电动车按照能量合成的形式主要分为串联式(SeriesHybridElectricVehicle,SHEV)和并联式,PHEV)两种。在串联式混合动力系统中,由发动机驱动发电机,利用发出的电能由电动机驱动车轮。即发动机所发出的动能全部要先转换成电能,利用这一电能使车辆行驶。并联式混合动力系统采用的是发动机与电动机驱动车轮,根据情况来运用这两个动力源,由于动力源是并行的,故称为并联式混合动力系统。此外,还存在混联式,也称串并联式,它可以最大限度地发挥串联式与并联式的各自优点。
  就目前所制造的混合电动车来看,它的动力系统是以燃油发动机作为主要动力,其电力能量贮藏系统通常是二次电源,而目前所应用的二次电源存在很多的缺点有待大幅度改进,而这些问题都可以用超级电容器代替解决,在内燃机车的电起动系统中采用超大容量电容器辅助起动装置,显示了较突出的优势,其表现在:
  1.由于起动功率的增加,缩短了柴油一发电机组的起动时间。柴油机旋转加速度增加,提高了燃油点燃质量。
  2.降低了起动时蓄电池组的最大电流负荷,有助于延长蓄电池的使用寿命。
  3.确保了起动的可靠性,特别是在低温以及蓄电池组亏电或参数变坏时尤为明显。
  4.在现有蓄电池技术状况下,可以有效减小蓄电池容量。
  但超级电容器并不能完全取代电池,因为它的能量密度比较低。超级电容器单体的工作电压较低,因此要通过多个电容器单体的串联才能得到较高的工作电压,而多个单体串联对单体的统一性要求比较高,且串联起来后体系的容量又会成倍减少。现在这方面的很多工艺都还在研发当中。
  超级电容的特性正好满足混合动力电动汽车的特殊要求。利用超级电容瞬时高功率特性,避免了要求发动机频繁起动和蓄电池提供瞬间大功率的特殊要求,同时还可以对制动能量进行回收利用,从而可以节约能源、减少排放污染,尤其适合经常在城市行驶的混合动力电动汽车。在回收制动能量方面,汽车在行驶过程中至少有30%的能量因热量散发和制动而消耗掉,特别是在城市行驶,经常遇到红灯,这样不仅造成能源浪费,而且增加环境污染。
  如能把制动所消耗的能量回收起来用于汽车起动、加速,可谓一举两得。由于蓄电池充电是通过化学反应来完成的,所需时间较长,但制动时间较短,因而回收能量效果不佳。现正处于研究中的飞轮电池,由于精度要求高、制作难度大,短时间还难以进入实用阶段。超级电容独有的特性非常适合用于制动过程中能量回收,而且成本较低,应用前景广阔。
  在为发动机冷起动时提供瞬时大功率方面,发动机的冷起动对蓄电池提出了特殊的要求,蓄电池必须提供瞬间大功率,发动机才可能起动。然而,一般蓄电池不具备这种特性,除非用起动点火型电池,但是起动点火型电池并不适合长时期小电流工作环境,而且在低温下经常失效,因此也不适合。
  研究发现,如果把超级电容和蓄电池联合用在发动机起动系统,发挥超级电容的独有特性,构成新型的起动系统,这个问题就可迎刃而解了。
  超级电容器作为一种新型储能元件,其出现填补了传统静电电容器和化学电源之间的空白,凭借着低成本高性能的优势,加上对环境的无污染使得人们对它越来越重视。随之对电动汽车研究的深入,超级电容器在这方面应用的优势也越来越明显。超级电容器的高性能决定了其市场前景非常广阔,而低成本又决定了其显著的经济效益。虽然超级电容器存在着比容量偏低的缺陷,但相信通过改进,一定会推动汽车行业发生质的飞跃。
2 结语
      对于中国资源量比较大的薄煤层开采来说,现在的采煤机械和开采技术也都比较成熟了,选择应用时应切实根据当地的煤层赋存情况,因地制宜的选择比较适宜的采煤机械,以便充分发挥好它的巨大投资效益和作用。

 

超级电容应用在智能水表上应用

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智能水表简介
传统的智能水表在控制水阀开启和关断时,普遍采用的方法是内装锂电池锂电池的优点是重量轻、能量大、自放电率低等。虽然如此,由于智能水表都没有设计再充电电路,锂电池使用到一定时间后,将无法为控制电路提供能量,不得不更换电池。上门为用户更换电池或水表,这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事情。更危险的是,电池电量不足的情况出现是随机的,如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠地关断水阀,造成无法计费、逃水现象等情况出现。这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点,直接影响到它的推广和使用。针对这一问题,水表生产厂家设计了很多方案,如:尽量降低功耗,在静态时控制漏电流在10μA以内,保证电池可以连续使用5年以上,这对电路的设计和元器件的选型提出了更高的要求,增加了设计难度和成品检测的工序,如加上可靠的电池电量监测电路,也会使成本增加。

 

新的解决方案
为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题,已有不少厂家尝试了一种全新的方案,那就是用超级电容(Super-Capacitor)代替锂电池应用于智能水表。超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件,性能介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性,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,见图1

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超级电容的特性
---以美国库柏(Cooper)超级电容为例,与电池进行比较,有如下一些明显特性:
* 超低串联等效电阻(ESR),功率密度(POWER Density)是锂离子电池的数十倍以上,适合大电流放电,(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上)为水表控制电机阀或电磁阀的可靠开启提供了保障。
* 超长寿命,充放电大于50万次,是锂离子电池的500倍,是镍氢和镍镉电池的1000倍,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年。
* 可以大电流充电,充放电时间短,对充电电路要求简单,无记忆效应。
* 免维护,可密封。
* 温度范围宽-40~+70℃,普通电池是-20~60℃。

方案描述
---与内装锂电池的智能水表相比,这种方案是用超级电容替换锂电池封装在水表中,同时外接干电池供电。平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容的充电,在需要开启水阀时,由外接干电池提供能量将水阀开启;在需要关断水阀时,如果外接电池不能提供能量将水阀关断,那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀。如同一个储水箱,平时将水存储起来,在停水时才起作用。
---图2是应用示意图。正常情况下,电池通过电阻R、二级管D1向负载和超级电容充电。电阻R的作用是限制电流过大,因为超级电容内阻很小,充电时电流较大可能造成电池损坏。二级管D1防止反向电流。当电池电压过低,或突然断电时(如取下电池),由超级电容继续为电路提供电源,同时,超级电容存储的能量足以关断阀门

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方案优点
---这种方案明显优于以前的设计,优点如下:
*将电池从水表中分离出来,从而可以不考虑电池寿命对水表的影响,大大延长了水表的使用时间。
* 另一方面,超级电容的大电流放电特性保障了水阀关断的可靠性,在外接干电池电量不足时,仍能利用存储在超级电容上的能量将水阀关断。
* 以前一味追求的漏电流指标,主要是为了保障电池的使用寿命,改用超级电容后,漏电流指标变得不再重要。如果电池电量不足,用户可以随时更换。这样,不仅使电路设计简化,减少产品的出厂检验工序,还使产品的成本降低。


结论
---这种方案克服了现阶段智能水表的缺点,为智能水表的发展找到了一条新的途径。目前国内已有多家水表生产厂应用该方案,实践证明,它是切实可行的。

超级电容器在变配电站直流系统中应用

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我国六十~八十年代建设的35KV变电站及10KV开关站,绝大多数高压开关断路器)操动机构是CDX型电磁操动机构。在这些站的配电室中专门配有相应的直流系统,作为分、合闸操作、控制、保护用的直流电源。这些直流电源设备,主要是电容储能式硅整流分合闸装置和部分由蓄电池组构成的直流屏。

由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本低、维护量小的特点,因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用,但是这些装置在实际使用中暴露出一个致命的令用户不可容忍的缺陷:事故分闸的可靠性差,其原因是使用的储能电解电容器组的容量有限(只有几千个微法),漏电流较大。有限的储能及停电后较大的漏电,使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量,由此造成的严重事故时有发生。不得已有些用户将其换成小容量的蓄电池组,其目的就是为了能保障分闸的能量,然而先抛开蓄电池组价格昂贵、寿命有限不说,单就从必须按规定对其进行维护保养才能正常工作这一点来说,就是让人头疼的问题,因为这里的蓄电池组不承担合闸任务,长时间处于备用状态,有些问题(如单个电池不良,记忆效应)不象蓄电池组直流屏那样从合闸操作中发现,这就要求工作人员主动定期的对蓄电池进行维护保养,由于工作量大,实际上这些工作在现场很难做到百分之百落实,甚至有些工作人员编造工作记录蒙哄过关,因此蓄电池组的内部状态是否时刻正常已很难保证,比如不及时发现蓄电池组中有问题的蓄电池进行更换,以及不定期消除镉镍电池的记忆效应。一旦供电线路出现事故需迅速分闸时,就有可能提供不了足够的能量,有可能造成更大的事故。这些现象在有些站特别是大行业的用户站,已不止一次发生过。

由蓄电池组成的直流屏,能存储很大的电能而实现停电后的长时间的直流供给,在一些重要站(如110KV及以上级别的变电站)这是必要的功能,然而象有些不重要的末端站及用户站,实际上并不需要停电后长时间的直流供给。考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备,然而带来的却是很高的运营成本。经常的维护保养以及不长的使用寿命。另外故障率也因其电池的多节串联而增加(任何一节电池有问题,都将影响整个蓄电池组的照常工作。

对上述设备不尽如人意的问题,人们迫切希望有较好的办法来解决,超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。

超级电容器的应用方案之一

本方案适用于在用电容储能(或已更换蓄电池组)式硅整流分合闸装置。在原电路上改造的电路原理如图一所示:其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的为改造要去掉的电解电容器组或蓄电池组。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾为为需加入的超级电容器及电路,每只超级电容器参数为0.85F/280V,(85万微法)两只超级电容器采用同时工作,互为热备的工作方式。R1R2为充电限流电阻,根据所需充电速度的大小可选择500W或1000W卤钨灯(或100W~200W白炽灯)其冷态电阻较热态电阻小5~6倍,比较适合电容器电压建立后宜减小限流电阻的要求。这一方案的优势为:

1. 在保留了原设备结构简单,成本低,维护量小的特点的同时,保证了分闸能量供应的绝对可靠,这是因为超级电容器的储能较原电解电容器组大了几百倍,在停电后可保证数百次的分闸,安全余量非常大。
2. 极小的漏电使其荷电保持能力非常强,停电数天后应有上百次的分闸能力。
3. 一旦其中一只电容出现问题不会影响另一只的独立工作,其检查功能,在不影响另一只正常投入工作的情况下可在例行的检查中发现故障超级电容而更换掉。

超级电容应用方案之二

本方案主要适用于生产厂改型的电容储能式分合闸装置。本方案是将原电容储能式分合闸装置的大功率合闸整流电源部分换成小功率电源,只供超级电容器充电和一些经常负荷,去掉原装置中的电压补偿电解电容器组,由超级电容器负责高压开关的合闸及事故失电分闸。在这里合闸一次电压只降低3V左右,而这一电压降将很快被充电补充,适合连续合闸,这一方案的成本将低于原电容储能式硅整流分合闸装置,有着同方案一同样的优势,还可以在停电后有数分钟的经常负荷供电能力,较原装置是一个进步。C1、C2、R1、R2的选择同方案一。L、R的作用是只允许经常负荷电流通过,抑制合闸冲击电流的通过。

超级电容器应用方案之三

本方案适用于在不重要的末端站(不需要停电后长时间的直流电供给)使用了由蓄电池组组成的直流屏的改造,其中图中虚线框内所包含的线路图右上角打叉的部分为改造要去掉的部分。图中虚线框内所包含的线路图右上角打勾的部分为改造要加入的部分。本方案的功能同方案二,由于舍去了蓄电池组,从而大幅度降低了使用成本,减小了维修保护量,电源寿命延长,同时由于电容充电很快,因此不像蓄电池组那样,停电分闸后,怕亏电。R1R2的选择同方案一。

超级电容器应用方案四

本方案是设计一种新型的直流屏。我们知道蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件:第一是满足冲击负荷最大放电电流合闸要求。第二是满足经常负荷电流下的时间要求:当根据冲击负荷最大电流选择的电池容量(安时数)大于经常负荷的容量要求时,就可以将超级电容器与蓄电池组组成复合电源,由超级电容器承担冲击负荷,由蓄电池承担经常负荷,蓄电池组的容量就按经常负荷的要求选小些,这样既降低了成本、减小了维护量,同时又使蓄电池组免受大电流的冲击而延长使用寿命。这种复合电源的原理如图四所示:L、R的作用同方案二,R1的选择同方案一。

另外,也可将具有(超)高倍率放电能力的镉镍蓄电池换成同等容量的免维护铅酸蓄电池,按图四与超级电容器组成复合电源,这样既保留了蓄电池体积小的特点,又大幅度降低了蓄电池的成本,获得了与使用镉镍蓄电池同样的效能。

 

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