Bevezetés a szuperkondenzátorokba

A társadalom és a gazdaság fejlődésével az emberek egyre nagyobb figyelmet fordítanak a zöld energiára és az ökológiai környezetre. Új típusú energiatároló eszközként a szuperkondenzátorok pótolhatatlan előnyei miatt egyre nagyobb figyelmet kapnak. A mérnökök elkezdték a hagyományos akkumulátorokat szuperkondenzátorokra cserélni bizonyos kivitelekben, amelyek nagy teljesítményű, nagy hatásfokú megoldásokat igényelnek. Hibák az akkumulátortechnológiában Az olyan új akkumulátorok, mint a Li-ion és NiMH megbízható energiatárolási megoldást nyújthatnak, és számos területen széles körben alkalmazzák. Mint mindannyian tudjuk, a kémiai akkumulátorok elektromos töltéseket tárolnak elektrokémiai reakciókon keresztül, ami Faraday töltésátvitelt eredményez. Rövid élettartamúak, és nagymértékben befolyásolja őket a hőmérséklet. Ezzel a nehézséggel szembesülnek az ólom-savas akkumulátorok (akkumulátorok) tervezői is.

Ugyanakkor a nagy áramerősség közvetlenül befolyásolhatja ezeknek az akkumulátoroknak az élettartamát, így bizonyos alkalmazásoknál, amelyek hosszú élettartamot és nagy megbízhatóságot igényelnek, ezek a kémiai reakción alapuló akkumulátorok különböző hiányosságokat mutatnak. A szuperkondenzátorok jellemzői és előnyei A szuperkondenzátorok elve nem új technológia. A legtöbb elterjedt szuperkondenzátor elektromos kétrétegű szerkezettel rendelkezik. Az elektrolit kondenzátorokhoz képest ez a szuperkondenzátor nagyon nagy energiasűrűséggel és teljesítménysűrűséggel rendelkezik. A hagyományos kondenzátorokhoz és másodlagos akkumulátorokhoz képest a szuperkondenzátorok nagyobb töltési kapacitással rendelkeznek, mint a hagyományos kondenzátorok, és gyors töltési és kisütési sebességgel, nagy hatékonysággal, környezetszennyezés nélkül, hosszú élettartammal, széles üzemi hőmérséklet-tartománysal és magas biztonsággal rendelkeznek. . A gyors töltés és kisütés mellett a szuperkondenzátorok másik kulcsfontosságú jellemzője az alacsony impedanciájuk. Tehát, amikor egy szuperkondenzátor teljesen lemerült, akkor kis ellenállás-karakterisztikát mutat, és ha nincs határ, akkor meghúzza a lehetséges forrásáramot.

Ezért állandó áramú vagy állandó feszültségű töltőt kell használni. 10 évvel ezelőtt a szuperkondenzátorokat csak nagyon kis mennyiségben lehetett eladni évente, és az ára nagyon drága volt, körülbelül 1-2 USD/farad. Most a szuperkondenzátorokat nagy mennyiségben szállították a piacra alaptermékként, és az árat jelentősen csökkentették, 0,01-es átlaggal. ~0,02 USD/farad. Az elmúlt néhány évben a szuperkondenzátorok számos alkalmazási területen kezdtek megjelenni, például a fogyasztói elektronikában, az iparban és a közlekedésben. A szuperkondenzátorok felépítése Bár sok szuperkondenzátorgyártó létezik a világon, amelyek sokféle szuperkondenzátor terméket tudnak szállítani, a termékek többsége hasonló elektromos kétrétegű szerkezetre épül. A szuperkondenzátorok felépítése hasonló az elektrolitkondenzátorokéhoz. Nagyon hasonlóak, fő különbségük az elektróda anyaga. A korai szuperkondenzátorok elektródái szénből készültek. A szénelektróda anyagának nagy felülete van, és a kapacitás a felület és az elektródák közötti távolságtól függ. Nagyon nagy lehet, a legtöbb szuperkondenzátor lehet farad szintű, és az általános kapacitástartomány 1 ~ 5000F. Szuperkondenzátorok használata A szuperkondenzátorok felhasználási lehetőségei széles skálán mozognak. A nagy energiasűrűségű anyagokkal, például az üzemanyagcellákkal kombinálva a szuperkondenzátorok gyors energiafelszabadulást biztosítanak a nagy teljesítményigények kielégítésére, lehetővé téve az üzemanyagcellák csak energiaforrásként történő felhasználását. Jelenleg a szuperkondenzátorok energiasűrűsége elérheti a 20 kW/kg-ot is, ami elkezdte megragadni a piacnak ezt a részét a hagyományos kondenzátorok és akkumulátorok között.

Azokban az alkalmazásokban, amelyek nagy megbízhatóságot, de alacsony energiaigényt igényelnek, szuperkondenzátorok használhatók akkumulátorok cseréjére, vagy szuperkondenzátorok és akkumulátorok kombinálhatók a nagy energiaigényű alkalmazásokhoz, így kisebb méretűek is használhatók. , gazdaságosabb akkumulátorok. A szuperkondenzátorok nagyon alacsony ESR-értékkel rendelkeznek, lehetővé téve nagy áramok forrását és nagy áramok gyors elnyelését. A kémiai töltési elvhez képest a szuperkondenzátorok működési elve stabilabbá teszi a termék teljesítményét, ezért a szuperkondenzátorok élettartama hosszabb. A szuperkondenzátorok ideális áramforrást jelentenek a gyorstöltést igénylő eszközökhöz, például elektromos szerszámokhoz és játékokhoz. Néhány termék alkalmas hibrid akkumulátor/szuperkondenzátor rendszerhez. A szuperkondenzátorok használatával elkerülhető a terjedelmes akkumulátorok használata a több energia beszerzése érdekében. Példa erre a digitális fényképezőgépek a fogyasztói elektronikában, ahol a szuperkondenzátorok használata lehetővé teszi a digitális fényképezőgépek számára olcsó alkáli elemek használatát (a drága Li-ion akkumulátorok helyett). A szuperkondenzátorcellák (cellák) névleges feszültségtartománya 2,5-2,7 V, így sok alkalmazás több szuperkondenzátorcella használatát igényli. Amikor ezeket a cellákat sorba köti, a tervezőmérnöknek figyelembe kell vennie a cellák közötti egyensúlyt és töltést. Bármely szuperkondenzátor kisül a belső párhuzamos ellenálláson keresztül, amikor feszültség alá kerül. Ezt a kisülési áramot szivárgási áramnak nevezik, amely befolyásolja a szuperkondenzátor egység önkisülését.

Néhány másodlagos akkumulátortechnológiához hasonlóan a szuperkondenzátorok feszültségeit ki kell egyensúlyozni soros használat esetén, mert szivárgási áram van, és a belső sönt ellenállás mérete határozza meg a feszültségeloszlást a sorba kapcsolt szuperkondenzátorcellák között. Amikor a szuperkondenzátor feszültsége stabilizálódik, az egyes egységek feszültsége a szivárgási árammal változik, nem a kapacitás értékével. Minél nagyobb a szivárgási áram, annál kisebb a névleges feszültség, éppen ellenkezőleg, minél kisebb a szivárgási áram, annál nagyobb a névleges feszültség. Ennek az az oka, hogy a szivárgó áram hatására a szuperkondenzátor cella kisül, ami csökkenti a feszültséget, ami viszont befolyásolja a vele sorba kapcsolt többi cella feszültségét (feltételezve, hogy ezeket a soros cellákat ugyanaz az állandó feszültség táplálja). A szivárgó áram ingadozásának kompenzálására általános módszer, hogy minden egység mellé párhuzamosan egy ellenállást csatlakoztatnak a teljes egység szivárgási áramának szabályozására. Ez a módszer hatékonyan csökkenti a megfelelő párhuzamos ellenállás ingadozását az egységek között.

Egy másik ajánlott módszer az aktív cella-kiegyenlítés, amelyben minden egyes cellát aktívan figyelnek, és feszültségváltozás esetén kiegyensúlyozzák egymást. Ez a megközelítés csökkenti az egység extra terhelését, és hatékonyabbá teszi a munkát. Ha a feszültség meghaladja az egység névleges feszültségét, az egység élettartama lerövidül. A nagy megbízhatóságú szuperkondenzátorok esetében kulcsfontosságú a feszültség megfelelő tartományon belüli tartása, és a töltési feszültséget úgy kell szabályozni, hogy az ne haladja meg az egyes cellák névleges feszültségét.