Johdatus superkondensaattoreihin

Yhteiskunnan ja talouden kehittyessä ihmiset kiinnittävät yhä enemmän huomiota vihreään energiaan ja ekologiseen ympäristöön. Uudenlaisena energian varastointilaitteena superkondensaattorit ovat herättäneet yhä enemmän huomiota korvaamattomien etujensa vuoksi. Insinöörit ovat alkaneet korvata perinteisiä akkuja superkondensaattoreilla joissakin malleissa, jotka vaativat suuritehoisia ja tehokkaita ratkaisuja. Akkuteknologian viat Uudet akut, kuten Li-ion ja NiMH, voivat tarjota luotettavan energian varastointiratkaisun, ja niitä on käytetty laajasti monilla aloilla. Kuten me kaikki tiedämme, kemialliset akut varastoivat sähkövarauksia sähkökemiallisten reaktioiden kautta, mikä johtaa Faradayn varauksen siirtoon. Niiden käyttöikä on lyhyt ja lämpötila vaikuttaa niihin suuresti. Tämä on myös lyijyakkujen (akkujen) suunnittelijoiden kohtaama vaikeus.

Samaan aikaan suuri virta voi vaikuttaa suoraan näiden akkujen käyttöikään, joten joissakin sovelluksissa, jotka vaativat pitkää käyttöikää ja korkeaa luotettavuutta, näissä kemiallisiin reaktioihin perustuvissa akuissa on useita puutteita. Superkondensaattorien ominaisuudet ja edut Superkondensaattorien toimintaperiaate ei ole uusi tekniikka. Useimmissa yleisissä superkondensaattoreissa on sähköinen kaksikerroksinen rakenne. Elektrolyyttikondensaattoreihin verrattuna tällä superkondensaattorilla on erittäin korkea energiatiheys ja tehotiheys. Perinteisiin kondensaattoreihin ja toisioakkuihin verrattuna superkondensaattorien latauskapasiteetti on suurempi kuin tavallisilla kondensaattoreilla, ja niillä on nopea lataus- ja purkunopeus, korkea hyötysuhde, ympäristön pilaantumattomuus, pitkä käyttöikä, laaja käyttölämpötila-alue ja korkea turvallisuus. . . Sen lisäksi, että ne pystyvät lataamaan ja purkamaan nopeasti, toinen superkondensaattorien keskeinen ominaisuus on niiden alhainen impedanssi. Joten kun superkondensaattori on täysin tyhjä, sillä on pieni vastusominaisuus, ja jos rajaa ei ole, se vetää mahdollisen lähdevirran.

Siksi on käytettävä vakiovirta- tai vakiojännitelaturia. 10 vuotta sitten superkondensaattoreita voitiin myydä vain hyvin pieniä määriä vuosittain, ja hinta oli erittäin kallis, noin 1-2 dollaria/faradi. Nyt superkondensaattoreita on toimitettu markkinoille suuria määriä vakiotuotteina, ja hintaa on alennettu huomattavasti, keskimäärin 0,01. ~0,02 dollaria/farad. Viime vuosina superkondensaattorit ovat alkaneet tulla monille sovellusaloille, kuten kulutuselektroniikkaan, teollisuuteen ja liikenteeseen. Superkondensaattorien rakenne Vaikka maailmassa on monia superkondensaattorivalmistajia, jotka voivat tarjota monenlaisia ​​superkondensaattorituotteita, suurin osa tuotteista perustuu samanlaiseen sähköiseen kaksikerroksiseen rakenteeseen. Superkondensaattorien rakenne on samanlainen kuin elektrolyyttikondensaattoreiden. Hyvin samankaltainen, niiden tärkein ero on elektrodin materiaali. Varhaisten superkondensaattorien elektrodit valmistettiin hiilestä. Hiilielektrodimateriaalilla on suuri pinta-ala ja kapasitanssi riippuu pinta-alan ja elektrodien välisestä etäisyydestä. Se voi olla erittäin suuri, useimmat superkondensaattorit voivat olla faradin tasoisia, ja yleinen kapasitanssialue on 1 ~ 5000 F. Superkondensaattorien käyttö Superkondensaattoreilla on monenlaisia ​​käyttötarkoituksia. Yhdessä korkean energiatiheyden aineiden, kuten polttokennojen, kanssa superkondensaattorit voivat tarjota nopean energian vapautumisen vastatakseen suuriin tehotarpeisiin, jolloin polttokennoja voidaan käyttää vain energialähteenä. Tällä hetkellä superkondensaattorien energiatiheys voi olla jopa 20 kW/kg, mikä on alkanut valloittaa tämän osan perinteisten kondensaattoreiden ja akkujen välistä markkinoita.

Niissä sovelluksissa, jotka vaativat suurta luotettavuutta mutta vähän energiaa, voidaan käyttää superkondensaattoreita korvaamaan paristoja tai superkondensaattoreita ja akkuja voidaan yhdistää sovelluksiin, joissa on korkea energiankulutus, jolloin voidaan käyttää pienempää kokoa. , edullisempia akkuja. Superkondensaattoreiden ESR-arvot ovat erittäin alhaiset, mikä mahdollistaa suurten virtojen lähteen ja suuren virran nopeasti. Kemialliseen latausperiaatteeseen verrattuna superkondensaattorien toimintaperiaate tekee tämän tuotteen suorituskyvystä vakaamman, ja siksi superkondensaattorien käyttöikä on pidempi. Superkondensaattorit ovat ihanteellinen virtalähde pikalatausta vaativille laitteille, kuten sähkötyökaluille ja leluille. Jotkut tuotteet soveltuvat hybridiakku-/superkondensaattorijärjestelmään. Superkondensaattorien käytöllä voidaan välttää tilaa vievien akkujen käyttö energian saamiseksi. Esimerkkinä ovat kulutuselektroniikan digitaalikamerat, joissa superkondensaattorien käyttö mahdollistaa halpojen alkaliparistojen käytön (eikä kalliiden Li-ion-akkujen). Superkondensaattorikennojen (kennojen) nimellisjännitealue on 2,5–2,7 V, joten monet sovellukset edellyttävät useiden superkondensaattorikennojen käyttöä. Kun näitä kennoja kytketään sarjaan, suunnittelijan on otettava huomioon kennojen välinen tasapaino ja lataus. Mikä tahansa superkondensaattori purkautuu sisäisen rinnakkaisvastuksen kautta, kun se on kytkettynä. Tätä purkausvirtaa kutsutaan vuotovirraksi, joka vaikuttaa superkondensaattoriyksikön itsepurkaukseen.

Kuten eräissä toissijaisissa akkutekniikoissa, superkondensaattorien jännitteet on tasapainotettava sarjassa käytettäessä, koska niissä on vuotovirta ja sisäisen shunttiresistanssin koko määrää jännitteen jakautumisen sarjaan kytkettyjen superkondensaattorikennojen välillä. Kun superkondensaattorin jännite tasaantuu, kunkin yksikön jännite muuttuu vuotovirran, ei kapasitanssiarvon mukaan. Mitä suurempi vuotovirta, sitä pienempi on nimellisjännite, päinvastoin, mitä pienempi vuotovirta, sitä suurempi on nimellisjännite. Tämä johtuu siitä, että vuotovirta saa superkondensaattorikennon purkautumaan, mikä alentaa jännitettä, mikä puolestaan ​​vaikuttaa muiden sen kanssa sarjassa olevien kennojen jännitteisiin (olettaen, että nämä sarjassa olevat kennot saavat virtaa samalla vakiojännitteellä). Vuotovirran vaihtelun kompensoimiseksi yleinen tapa on kytkeä vastus rinnan jokaisen yksikön viereen ohjaamaan koko yksikön vuotovirtaa. Tämä menetelmä vähentää tehokkaasti vastaavan rinnakkaisvastuksen vaihtelua yksiköiden välillä.

Toinen suositeltava menetelmä on aktiivinen kennotasapainotus, jossa jokaista kennoa seurataan aktiivisesti ja tasapainotetaan toisiaan vastaan ​​jännitteen muutoksen sattuessa. Tämä lähestymistapa vähentää yksikön ylimääräistä kuormitusta ja tekee työstä tehokkaampaa. Jos jännite ylittää laitteen nimellisjännitteen, yksikön käyttöikä lyhenee. Erittäin luotettavien superkondensaattorien kohdalla jännitteen pitäminen vaaditulla alueella on keskeinen asia, ja latausjännitettä on säädettävä, jotta varmistetaan, että se ei ylitä kunkin kennon nimellisjännitettä.