超級電容技術(shù)分析及應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
電池比較笨重，電容比較輕巧。
電池與電容的很多差異可以用Ragone圖來形象地說明(如圖2所示)。Ragone圖常用于分析，但是實際上，Ragone圖是Y軸上的能量密度(單位是Wh/kg)與X軸上的功率密度(單位是W/kg)二者之間的雙對數(shù)(log-log)關(guān)系圖。由于是雙對數(shù)坐標圖，放電時間可以表示為直線對角參數(shù)。
圖2：Ragone圖表示儲能器件的能量密度與功率密度之間的對數(shù)-對數(shù)關(guān)系，其中放電時間表示為斜對角線。該圖也十分便于比較電池與超電容的特性。
圖2中的Ragone圖表示不同種類的化學(xué)電池(聚集在圖的左側(cè))和不同種類的電容(圖的右側(cè))之間的差異。根據(jù)Ragone圖綜合來看，這些特性使得電池和超電容之間構(gòu)成了互補的而不是對立的關(guān)系。實際上，這就是它們得以普遍應(yīng)用的原因。
最新應(yīng)用
超電容最主要的應(yīng)用是用來穩(wěn)定直流總線電壓。超電容已在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于保護各種引擎控制部件和微控制器免受瞬態(tài)負載突變導(dǎo)致的電壓暫降的干擾。(電壓尖脈沖由其他方法來處理。)
這些瞬態(tài)負載突變通常與發(fā)動機有關(guān)。但是，如果車載娛樂系統(tǒng)的揚聲器輸出功率比較強，那么這種負載也可能來源于音頻脈峰。與在車載娛樂系統(tǒng)的12V電壓輸入端簡單放置一個超電容不同的是，一份來自澳大利亞超電容制造商Cap-XX的應(yīng)用說明給出了一種增大D級輸出放大器H橋電壓的方法(如圖3所示)。其中采用了一個小型的升壓轉(zhuǎn)換器，將偶然脈峰所需的功率存儲在一對超電容內(nèi)。
圖3：在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，超電容常與微控制器結(jié)合使用，以保護它們不受總線電壓突降的影響。圖中的應(yīng)用實例進一步采用了一個小型的升壓轉(zhuǎn)換器對兩個超電容進行“升壓”，之后這兩個超電容為D級音頻放大器中的H橋供電。
另外在交通運輸領(lǐng)域，超電容具有快速吸收和釋放能量的能力，比電池更適合于實現(xiàn)再生制動機制。大多數(shù)這類用途已經(jīng)在公共運輸行業(yè)得以應(yīng)用(如圖4所示)。德國曼海姆市輕軌系統(tǒng)中的Bombardier有軌電車采用600個2600F的超電容組實現(xiàn)了制動能量回收機制。所存儲的能量被用于車輛的加速推進以及無動力路段和交叉路口的動力銜接。這是一種全電氣化的軌道系統(tǒng)，回收的剎車能量減少了所需的輸電網(wǎng)絡(luò)。從這一點上來看，該原型系統(tǒng)證明能夠達到30%的節(jié)能效果。
圖4：在交通運輸系統(tǒng)中，超電容對于再生制動技術(shù)是非常有用的，因為它能夠存儲車輛制動的能量并在需要的時候釋放大量的能量。
曼海姆將超電容安裝在有軌電車的車身上，另外一種方法就是將超電容安裝在軌道兩旁。在演示這一實現(xiàn)方法時，西門子運輸系統(tǒng)公司在其Sitras SES系統(tǒng)中采用超電容實現(xiàn)了制動能量的回收裝置，并應(yīng)用于科隆和馬德里的地鐵線路上。在典型的軌道旁實現(xiàn)方案中，超電容能夠吸收半徑3km以內(nèi)所有列車的制動能量。
在美國的混合交通運輸應(yīng)用中，運行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在車輛毛重情況下，這種巴士能夠在17秒以內(nèi)實現(xiàn)0到31mph的加速度，并且能夠達到62mph的最大速度。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，基于超電容的系統(tǒng)相比基于電池的混合電動系統(tǒng)具有更高的平均燃料效率。利用這種超電容加上電池設(shè)計的混合巴士汽車能夠回收38%的推進能量，這相當于將燃料效率平均提高了3.9英里/加侖。
ISE研發(fā)了自己的熱控模塊，每個模塊采用了144個18F的超電容。這種模塊在400A的電流下能夠提供360V的電壓。一對這樣的模塊相互串聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)720V的額定電壓(800V峰值電壓)。這種雙組件結(jié)構(gòu)支持高達300kW功率水平下的充放電周期，能夠存儲約0.6kWh的能量。
再生制動技術(shù)能夠回收動能。這類應(yīng)用還能夠回收勢能。最近的一個實例是應(yīng)用在鏟車上，但是更廣泛的潛在應(yīng)用市場是建筑電梯系統(tǒng)。
在鏟車應(yīng)用領(lǐng)域，General Hydrogen推出了一種新型的“Hydricity Packs”燃料電池系統(tǒng)，其大小能夠直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)設(shè)備中的鉛蓄電池。其中的超電容組能夠在每次裝卸叉攜帶托盤下降時存儲勢能，在提升重物需要增強功率時釋放能量。圖5給出了典型的鏟車功率使用分布圖，很好地說明了燃料電池和超電容二者的協(xié)同作用。
評論