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超級電容的典型應(yīng)用與選型

發(fā)布時(shí)間:2010-05-27 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

超級電容通過分離正負(fù)電荷來儲存能量,是物理方法儲能,電池是用化學(xué)反應(yīng)的方法來儲能,所以電池的反應(yīng)時(shí)間會很長,超級電容容量大,充放電速度快,而且充放電循環(huán)可達(dá)百萬次,非常適合用作備用電源和提供峰值功率。

超級電容工作原理

超級電容可以用做后備電源,類似于UPS,在系統(tǒng)突然斷電后,負(fù)責(zé)在極短時(shí)間內(nèi)為系統(tǒng)提供能量。在這種應(yīng)用中,需要后備電源有快速的啟動時(shí)間。由于超級電容是物理反應(yīng)的方式儲存電能,充放電速度快,相對電池有著更為快速的響應(yīng)時(shí)間。

 圖1:超級電容用作備用電源示意圖
圖1:超級電容用作備用電源示意圖

電池的充放電大概在1小時(shí)到10個(gè)小時(shí)左右,而傳統(tǒng)用于濾波的電容,充放電在0.03秒,超級電容充放電在1秒左右,基本上是從0.1秒到10秒,這個(gè)時(shí)間正好是汽車、吊車剎車或啟動的時(shí)間,其他設(shè)備比如風(fēng)力發(fā)電中,風(fēng)輪機(jī)變槳的時(shí)候要提供能量也是在這個(gè)時(shí)間段。

在風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪機(jī)變槳時(shí)、機(jī)車、電動機(jī)、汽車、吊車啟動時(shí)需要的能量遠(yuǎn)大于其正常工作時(shí)需要的能量,超級電容可以輔助電池、發(fā)動機(jī)等動力系統(tǒng)提供峰值功率,從而減輕電池或發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)。沒有超級電容時(shí),在負(fù)載啟動、維持運(yùn)行和終止的過程中,能量全部由電池或發(fā)動機(jī)供給。如果加入了超級電容,負(fù)載啟動時(shí)需要的峰值功率可以由超級電容承擔(dān)。 

 圖2:超級電容提供峰值功率示意圖
圖2:超級電容提供峰值功率示意圖

在機(jī)車、電動機(jī)、汽車、吊車剎車時(shí),超級電容可以重新捕獲能量。這樣,加入了超級電容做輔助電源,可以提高能量利用效率,延長電池或發(fā)動機(jī)壽命。同時(shí)相對于沒有超級電容的動力系統(tǒng),電池或發(fā)動機(jī)不需要提供峰值功率,因而尺寸可以更小。下圖是超級電容輔助電池、發(fā)動機(jī)的工作模式示意圖。

圖3:沒有超級電容的動力系統(tǒng)工作模式
圖3:沒有超級電容的動力系統(tǒng)工作模式
 圖4:超級電容用作輔助電源的動力系統(tǒng)工作模式
圖4:超級電容用作輔助電源的動力系統(tǒng)工作模式

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超級電容提供峰值功率的應(yīng)用案例

集裝箱龍門吊車使用柴油機(jī)做動力,當(dāng)龍門下來的時(shí)候有一個(gè)動能,通常是通過剎車電阻耗散動能,剎車電阻是個(gè)耗能電阻,把電變成熱耗散掉。如果使用了超級電容,剎車的動能可以轉(zhuǎn)換成電能,通過一定的電路充電到超級電容里面去,反過來當(dāng)龍門上升的時(shí)候通過一定的逆行電路把超級電容的能量反饋到電機(jī)里面。

由于使用了超級電容提供峰值功率,柴油機(jī)只需要提供維持運(yùn)行的較小的功率,因而柴油機(jī)的尺寸可以減小一半,同時(shí)節(jié)省了成本。類似的應(yīng)用還包括叉車、混合動力汽車、輕軌或地鐵。

圖5:超級電容用在集裝箱龍門吊車上面
圖5:超級電容用在集裝箱龍門吊車上面

自動抄表系統(tǒng)抄表時(shí),數(shù)據(jù)發(fā)送需要非常大的能量,超級電容能夠提供大的能量。下圖是Maxwell超級電容在智能電表上的應(yīng)用,超級電容取代鋰離子電池,壽命可以延長一倍,占版面積比鋰離子電池小。在自動抄表系統(tǒng)中的水表和氣表中,超級電容配合電池,延長使用壽命。

 圖6:超級電容在智能電表中替代電池
圖6:超級電容在智能電表中替代電池

選擇合適的超級電容

超級電容的選型和數(shù)量配置需要根據(jù)不同的應(yīng)用來判斷,選擇要素包括最大和最小工作電壓、平均電流、平均功率、峰值電流、峰值功率、工作環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)間、壽命。

超級電容的額定電壓用VR表示,通過最大工作電壓(Vmax)可以算出需要串聯(lián)的超級電容的數(shù)量。計(jì)算公式為:
計(jì)算公式
 


接下來,根據(jù)平均電流(I,單位為安培)、運(yùn)行時(shí)間(dt,單位為秒)、最小工作電壓(Vmin),通過下面公式,就能計(jì)算出系統(tǒng)所需要的電容容值的近似值。
 計(jì)算公式



系統(tǒng)電容值與串聯(lián)的每個(gè)電容之間的關(guān)系用下面的公式表示:
計(jì)算公式
 


如果使用相同容值的電容,那么公式可以簡化為:計(jì)算公式 。根據(jù)這個(gè)計(jì)算值,對照產(chǎn)品規(guī)格表,可以找出合適的產(chǎn)品。

如果各個(gè)電容之間是并聯(lián)關(guān)系,系統(tǒng)電容值與單個(gè)電容之間的容值關(guān)系式為:
計(jì)算公式
 
除此之外,其他需要考慮的因素有,電容的內(nèi)阻與瞬時(shí)電壓降有關(guān),工作環(huán)境溫度會影響電容內(nèi)阻和壽命。
 

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