合众汇能
Beijing HCC Energy Tech.Co.,Ltd_网站首页
400-088-5906
您的位置: 首页 > 新闻动态 > 公司新闻

关于超级电容原理、材料、测量、应用等详解大全

2023-01-12 431人浏览






超级电容器是一种介于传统电容(通常指电解电容)和二次电池(可充电电池,目前主要是铅酸蓄电池、锂电池等)之间的新型储能器件,兼有传统电容的高功率特性和电池的高能量特性,同时,超级电容器还具有高比功率、大电流充放电能力、长寿命、温度范围广尤其超低温性能好、高可靠性、免维护、绿色环保等特点。



超级电容与蓄电池传统电容的对比


超级电容的储能是物理过程,而电池储能是电化学反应的过程,两者有着本质的区别;
◆超级电容器与普通电容器,首先是容量上的差别,普通电容器容量通常在微法级,超级电容器是以法拉为单位的,1法拉=100万微法,所以超级电容又叫做法拉电容。
◆超级电容的功率特性好,可以大电流快速充放电,功率密度是锂离子电池的数十倍以上,(一支5F超级电容器能释放瞬间电流18A以上,3500F可以释放2000A以上),充放电时间短,对充电电路要求简单,无记忆效应,但是电池的能量密度要比超级电容高,同等体积下电池储存的能量要多;
◆超级电容充放电是物理的过程,所以寿命更长,循环充放电次数达到50万到100万次,电池充放电次数有限,铅酸蓄电池循环充放电是500次,锂电池是500--1000次,不同类型的充放电次数不一样;
◆超级电容的工作温度范围更宽,工作温度范围为-40℃~+70℃,而一般电池的零度以下基本放不出电或者能放出很少的电;   在一些需要大功率放电同时也需要较高能量的场合可以使超级电容和电池结合使用,充分发挥二者的优点。

超级电容结构

   超级电容器通过极化电解质来储能,它是一种电化学元件。但在储能的过程中并不发生化学反映,其储能过程是可逆的。利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。从某种意义上讲超级电容拥有传统电容和蓄电池的双重功能,填补的传统技术之间的空白,具有很大的发展潜力。
     本产品采用圆柱形电容器外形。内部为卷绕式结构,正负电极片之间用隔膜隔开,并浸有电解液成分;铝制外壳与橡胶塞进行密封,引出方式为引线式引出,引出极在产品同侧。

  超级电容所使用的原材料全部都是环保型产品。其核心原料为活性炭(环保,广泛应用于环保、医疗卫生行业)、电解质(中性,不含强酸强碱)、铝箔、铝壳(金属态可以回收利用)、热缩管(符合欧盟环境认证),可以弥补传统储能器件对环境的破坏,超级电容的生产制造以及回收利用的过程是一个节能环保的过程。
     超级电容的储能过程是物理过程,其充放电效率很高,可以达到98%以上,所以说超级电容是节能型产品。
     寿命长、免维护,这使得超级电容可以在要求寿命较长、维护难度大或成本高的产品上代替原有的电池方案,从而使得产品的性能得到良好的改善、降低用户的使用成本。


超级电容测量方法和计算公式

依据标准 According to the standard 
QC/T 741-2014《超级电容器》 
Q/GDW 11845—2018《电能计量设备用超级电容器技术规范》
DL/T 1652-2016《电能计量设备用超级电容器技术规范》  

测量电路 Measuring circuit

测量方法 measuring method 
 恒流/恒压源的直流电压设定为额定电压(UR)。  
 设定表1中规定的恒电流充放电装置的恒定电流值。
 将开关S切换到直流电源,在恒流/恒压源达到额定电压后恒压充电30min。
 在充电结束后,将开关S变换到恒流放电装置,以恒定电流进行放电。

超级电容容量:
a)以I恒流充电的方式对超级电容器进行充电,当电压达到其额定电压UR后,继续充电30min;
b)以I恒流放电的方式对超级电容器进行放电;
c)根据图1测量放电过程中电压从80%UR降至40%UR的时间,计算电容容量。
容量计算公式:C=I*(t₂-t₁)/(U₁-U₂)
式中:
C:容量(F);
I:放电电流(A);
t1-t2:放电时间(s);
U1:80%VR (V);
U2:40%VR (V)。

图2 交流内阻测试电路
计算超级电容器的交流内阻:R=U/I
式中:R:交流内阻(Ω);  U:电压(V);I:电流(A)

直流内阻
a)以I恒流充电的方式对超级电容器进行充电,当电压达到其额定电压UR后,继续充电30min;
b)以I恒流放电的方式对超级电容器进行放电;
c)根据图3测量10ms内电压的瞬时变化值,计算直流内阻。

图3 直流内阻电压特性

计算公式:R=△ U₃/I
式中:
R:直流内阻(Ω);
ΔV3:电压变化量(V);
I:放电电流(A)。

自放电测试
将超级电容器完全放电2h,然后对其充电30min,使超级电容器的电压达到额定电压的95%后,继续充电8h,之后断开电源,测量24h/168h后的额定电压。

图4 自放电试验

注释:
1.最大电流不可重复,持续时间不可超过5s。
2.最大电流计算公式为:IM=0.5VRC/5+C×ESR
3.功率和能量公式:
可用功率密度:Pd=0.12V²/ESR×mass
最大功率密度:Pmax=V²/4ESR×mass
能量密度:Emax=1/2CV²/3600×mass
储存能量:E=1/2CV²/3600
主要应用领域特点

智能电网

随着用电环节的加大、用电保障要求的提高,电网运行水平随之需要提高,智能电网的进一步实施和发展,对故障的实时性响应要求提高,排除故障的及时性也需要电网运行人员随时保障,因此在掉电之后备用电源的实际支持时间无需过长,在结合来电之后短时快速充电响应特性,采用超级电容作为电源的前提已完全具备。同时,由于控制设备数量庞大,传统的电池电源方案无法做到完全免维护(包括采用电池监控也难以做到),同时可靠性也不够,电网运行人员难以兼顾庞大数量的设备,保证设备的稳定性可靠性显得至关重要。
   采用完全免维护控制电源是保证电网稳定运行的必然!

1.正常供电:当线路有电时,电源模块为DTU/FTU/LTU/TTU提供工作电源,超级电容器提供给开关设备的电动分合闸机构进行操作。
2.备用电源:当线路失电时,超级电容器作为能源端通过电源模块为DTU/FTU/LTU/TTU提供后备电源,同时驱动开关进行分合闸操作。
3.使用范围:HCCCap 超级电容电源系统适用于配网领域各环网柜、开闭站、变电站、柱上单元等场合的掉电保护,提供给开关柜、智能单元和通信等系统和设备使用。
1.针对智能终端和各类高压开关开发的超级电容和电源模块;
2.完全免维护,超级电容与电源模块均无需维护;
3. 性能可靠,内含保护电路,电源模块组合方便;
4. 温度特性好,低温特性优异,在-40℃~+70℃仍正常工作;
5.输出电流能力强,保证分合闸的可靠性;
6. 定制方便,模块化设计,可根据客户需要调整;
7. 绿色能源,无污染,不含有害金属成分;
8. 在国网已大量使用实际时间超过10年以上。
超级电容让储能电站更安全、可靠!

电化学储能电站由变电站、PCS、控制单元和储能单元等多个部件构成,超级电容是应用在储能单元的重要组件,其拥有长期寿命的同时还具有安全可靠稳定的特性,加上全周期使用成本的优势,使得超级电容在储能市场将大有作为。同时,超级电容还可配合电池储能使用起到减少电池系统的循环次数,并可快速大功率投切起到保护电池安全的重要作用。超级电容对提高储能系统的安全性,提升储能器件的使用寿命拥有得天独厚的优势。

      合众汇能针对储能电站及港口设备运行,推出新型大容量、大功率智能化超级电容储能包,可提升至50%积能密度,电量高达0.5KWH,将为客户节约30%以上成本。系统内部进行实时数据采集和监控,分析系统运行状态,独立的数据处理单元,在数量巨大的电容单元内,实时采集和处理数据。独特的堆叠技术,不仅能进行更好的数据采集监控,对系统的安全性提供了极大的技术保障。



超级电容器,作为高功率脉冲武器装备中最重要的功能部件,是一种新型储能装置,可在很短时间内爆发出巨大的能量堪称众多军用装备的“能量核心”,广泛应用与装甲车辆,舰艇,航天器飞行器等需要较大脉冲放电功率的武器装备及设备商。
       超级电容可应用于激光武器,束能武器,微波武器、电磁炮等先进武器系统。
超级电容所产生的的巨大的能量能保证激光武器的能量供给。在粒子束能武器、微波武器、超级电容同样具有重要的功能作用。高功率脉冲激光武器,是未来战场具有重要应用的武器系统。
      超级电容可应用于激光武器,束能武器、微波武器、电磁炮等先进武器系统。超级电容所产生的的巨大能量能保证激光武器的能量供给。在粒子束能武器、微波武器、超级电容同样具有重要的功能作用。高功率脉冲激光武器,是未来战场具有重要影响的武器系统。◆ 高功率密度。输出功率达10KW/kg,是任何一个化学所无法比拟的,是一般蓄电池的数十倍。
◆ 提供高比功率的同时。其能量可达到5-10Wh/kg。
◆ 放电循环寿命长,达到50万-100万次量级。
◆ 工作温度范围宽-40℃~+70℃;寒冷季节容量稳定。
◆ 充电时间短,超级电容最短可在几秒钟内完成充电。
◆ 高可靠性和稳定性;超级电容器工作过程中没有运动部件,完全免维护,因此超级电容器的可靠性非常高。
◆ 无污染,绿色环保。

  在卫星航天领域中超级电容卫星分离电源具有超高的可靠性与稳定性、采用特殊化、以及轻量化设计处理,可耐受严苛使用环境并且支持超大电流快速充放电。
     作为国内首家将超级电容多次成功应用于航天卫星领域的企业,经过数次产品的成功迭代更新,超级电容星箭分离电源系统在航天卫星领域已实现了30次以上 100%的成功分离,性能更趋成熟、稳定,航天应用领域更为广泛。



超级电容在风电机组变桨中的应用,其基本工作原理为:
电网输入电能,供风机运作的同时,通过智能管理单元控制的充电器,给超级电容器组进行充电,充电达到额定电压时停止充电,在紧急运行工况下,风电机组变桨控制系统发出指令,进行紧急变桨,这时超级电容器开始放电,变桨系统控制叶片顺桨,以达到安全停机的目的。

◆超级电容作为风机变桨控制系统的后备电源,提高了变桨电源系统的安全性、可靠性和免维护性;
◆工作温度范围宽-40℃~+70℃,低温特性好,寒冷季节容量稳定;
◆充电速度快,远快于蓄电池的充电时间;
◆使用寿命长,抗干扰能力强,抗冲击震动,高可靠性、免维护;
◆具备过压报警或过温报警,体积小、重量轻,结构紧凑;

低温启动一直是各类发动机的难题,外部加热是目前常用的手段,但是缺点也很明显:预备启动时间长(启动前需加温近1h)、 系统改造成本高、体积大、单次启动成本高、有些方式危险性比较高等等,采用HCCCAP ESM模块可广泛应用于各类发动机的蓄电池增强启动领域,具有同等重量蓄电池10倍的大功率输出能力,在零下40℃低温下仍然可以正常启动,同时具有10年以上超长可靠的使用寿命,在特种车辆、低温地区各类车辆、高可靠云服务器的应急发电系统等各种场合均具有重要的应用价值。
     大多数工程车辆、军用车辆、反恐防爆车辆等对作业环境温度具有特殊性,要求严苛,与通过化学反应产生和储存能量的电池不同,超级电容器用电场储能。超级电容器的这种静电储能机制使其不仅能够在不到一秒内完成充放电,同时能在-40℃~+70℃宽温度范围内正常工作,可靠运行百万次以上的充放电周期,而且耐振动、抗冲击性能良好。

车辆启动使用超级电容主要是利用超级电容的以下 2 点:
1、较宽的温度适用范围:-40℃~70℃,尤其是低温性能表现优异;
2、瞬间功率特性好:可以瞬间放出大电流;汽车的蓄电池在气温较低的时候,基本上很难瞬间放出大的电流,特别是在北方,气温在零下 20℃以下的时候,蓄电池基本上没有能很好地解决汽车启动的瞬间需要的大电流,这时超级电容正好能够满足该应用需求

 超级电容器在工业领域具有广泛的应用,比如智能电表、通讯模块、集中器、车载设备、电动玩具、应急照明、电梯、税控收款机、电动叉车、医疗设备、安防设备、X光机等。例如,医疗 X 光机在曝光拍照的瞬间功率会很大,对于移动 X 光机,一般会有备用电池,使用电池时,如果频繁使用 X 光机曝光的话,电池会因为瞬间大电流放电的冲击而导致寿命,甚至因为电池无法及时相应所需的电流脉冲以至于拍照不清晰,对于市电 式 X 光机,启动拍照时瞬间大电流对电网的冲击也很大,容易导致电网电能质量变 差及其它问题。使用超级电容的瞬间功率特性可以满足X光机拍照的瞬间所需的电流,从而解决以上问题,此类应用往往需要结合实际情况而设计相应的电容方案。

     医疗用超级电容模组是合众汇能研发的一款用于X光机、MRI等精密仪器以及其他超高功率应用的超级电容模组。拥有超低内阻,可低至60毫欧,瞬间可放出上千安的电流,短时间可承受600安以上电流、体积小、大功率;工作温度范围宽,-40℃~+70℃;使用寿命长,绿色环保,无污染;
 超级电容器在工业领域具有广泛的应用,比如智能电表、通讯模块、集中器、车载设备、电动玩具、应急照明、电梯、税控收款机、电动叉车、医疗设备、安防设备、X光机等。例如,医疗 X 光机在曝光拍照的瞬间功率会很大,对于移动 X 光机,一般会有备用电池,使用电池时,如果频繁使用 X 光机曝光的话,电池会因为瞬间大电流放电的冲击而导致寿命,甚至因为电池无法及时相应所需的电流脉冲以至于拍照不清晰,对于市电 式 X 光机,启动拍照时瞬间大电流对电网的冲击也很大,容易导致电网电能质量变 差及其它问题。使用超级电容的瞬间功率特性可以满足X光机拍照的瞬间所需的电流,从而解决以上问题,此类应用往往需要结合实际情况而设计相应的电容方案。

     医疗用超级电容模组是合众汇能研发的一款用于X光机、MRI等精密仪器以及其他超高功率应用的超级电容模组。拥有超低内阻,可低至60毫欧,瞬间可放出上千安的电流,短时间可承受600安以上电流、体积小、大功率;工作温度范围宽,-40℃~+70℃;使用寿命长,绿色环保,无污染;

超级电容注意事项

■ 不可在高于额定电压下使用;
■ 超级电容器不可强行扭动或倒置;
■ 超级电容器温度不宜超过额定温度上限或下限;
■ 充电电压不宜超过额定电压;
■ 避免阳光直接照射 ;
■ 避免直接接触水、盐水、油 、酸或碱,在可能有较高湿度或温湿度差异较大环境的应用情况下,建议焊接后在引 出极端部封胶以隔绝水汽,避免引针腐蚀;
■ 如果需在超过额定特性的振动条件下或在严酷电气条件下使用,请与HCCENERGY联系;
■ 超级电容具有固定的极性,请在装配时注意其极性 ;
■ 工作温度和寿命。Operatingtemperatureandproductlife 一般地,HCCCAP超级电容在低温下漏电电流更小、备用时间更长、寿命更长。反之在较高温度下,则漏电电流 增大、备用功率降低、寿命变短。请使HCCCAP超级电容远离发热元件。 
■ 串联连接和模块 HCCCAP超级电容的简单物理串联连接会造成作用在每个超级电容上的电压失衡。其结果,有可能造成电压超过额 定值。如果需要串联连接请与HCCENERGY联系,并进行适当设计以使每个超级电容工作在安全电压范围内;
■ 超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中 ;
■ 大电流放电时,瞬态电压降ΔV=IR会明显增大 ;
■ 根据GB/T2429.28-2005中4.6的方法,将超级电容器的引脚浸渍于235℃±5℃的焊槽中,持续2s±0.5s,应满足本标准4.6.2的要求;

关于废弃

  不要随意丢弃,遵循法令或地方公共团体等指定的条例,将废弃品交给工业废弃物处理商。 
      其它超级电容器方面的问题,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。 



合众汇能企业介绍


合众汇能作为长期从事超级电容研发与销售为一体的超级电容器企业,具有完善的研发体系和规模化生产的实力。公司成立以来先后获得,国家高新技术企业,中关村高新技术企业,技术团队合作发展的多篇因子文章,已获得与在申请的专利超过四十项,已通过ISO9001质量体系认证。









分享:
© 2017 北京合众汇能科技有限公司 All Rights Reserved. 京ICP备13008236号           合众汇能阿里巴巴店铺 合众汇能淘宝店铺
分享到: