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  • 关于四大动力锂电池的优势分析,你了解吗?

    关于四大动力锂电池的优势分析,你了解吗?

    在生活中,你可能接触过各种各样的电子产品,那么你可能并不知道它的一些组成部分,比如它可能含有的电池,那么接下来让小编带领大家一起学习常见的4类电池。目前在交通运输用动力源方面,重要有四种技术路线:锂离子电池、氢燃料动力电池、超级电容和铝空气电池。 其中,锂离子电池,超级电容器和氢燃料动力电池被广泛使用,而铝空气电池仍处于实验室研究阶段。 在能源供应方面,锂离子电池和超级电容器适用于纯电动汽车,但它们需要在外部充电,而以氢燃料为动力的电池汽车需要外部加氢,而铝-空气电池则需要补充铝板和电解质。 1.氢燃料动力电池的特性 (1)良好的环境相容性:氢燃料动力电池提供高效,清洁的能源,排放的水不仅很小,而且非常干净,因此没有水污染问题。同时,由于燃料电池不像发动机那样将热能转换为机械能,而是将化学能直接转换为电能和热能,因此能量转换效率高而噪声低。 (2)良好的运行性能:氢能动力电池发电,不需要复杂,大型的配置设备,并且电池组可以模块化的方式组装。氢燃料电池适合用作分散式发电装置。此外,与火力,水力和核能发电相比,由氢燃料驱动的电池发电厂的建设周期短且易于扩展。它们可以根据实际情况分阶段构建。同时,氢燃料动力电池具有较高的工作质量,并且在响应负载(例如峰值负载)的快速变化方面具有出色的性能,并且可以在几秒钟内将其从低功率转换为额定功率。 2.锂离子电池的特性 (1)电压平台:由于锂离子电池使用的正负极材料不同,其单节电池的工作电压范围为3.7〜4V。其中,大型磷酸铁锂单电池的工作电压为3.2V。镍氢电池的3倍,铅酸电池的2倍。 (2)比能量大:乘用车锂离子动力锂电池目前的能量密度接近200Wh / kg,预计到2020年将达到300Wh / kg。 (3)电池寿命短:由于电化学材料特性的限制,锂离子电池的循环时间没有突破。以磷酸铁锂为例,单个电池的循环时间可以达到2000倍以上,而将上述分组后仅为1000倍。无法达到公共汽车运营的8年期限。 (4)对环境的巨大影响:锂离子电池使用轻金属锂,尽管它们不含有害的重金属,例如汞和铅,但它们被认为是绿色电池,对环境的污染很小。但是实际上,由于其正负极材料和电解质都包含镍和锰等金属,因此美国已将锂离子电池列为包含易燃,浸出毒性,腐蚀性,反应性和其他有毒有害电池的电池。 3.超级电容器的特性 (1)极高的充电和放电速率:超级电容器具有高功率密度,可以在短时间内放电数百至数千安培,快速充电,并可以在数十秒至数分钟内完成充电过程。超级电容器公交车和有轨电车使用此功能可在短时间内完成充电并推动车辆前进。 (2)循环寿命长:超级电容器在充电和放电过程中损耗很小,因此理论上它们的循环寿命是无限的,实际上可以达到10万次以上,是电池的10到100倍。 (3)在低温下具有更好的性能:在超级电容器的充电和放电过程中发生的大部分电荷转移都是在电极活性材料的表面上进行的,因此容量随温度的下降非常小,并且容量衰减速率为锂离子电池在低温下甚至高达70 %。 4.铝空气电池的特性 (1)材料成本低,能量密度高:铝空气电池的负极活性物质富含金属铝,价格便宜且环保。正极活性物质是空气中的氧气,并且正极容量可以是无限的。因此,铝空气电池具有重量轻,尺寸小和使用寿命长的优点。 (2)关键技术尚未突破,尚未走出实验室:空气电极极化和氢氧化铝沉淀是影响金属空气电池市场化的重要障碍,铝空气电池的改进有待改进。遇到了很大的瓶颈。它仍处于实验室阶段,距离商业化还有很长的路要走。 相信通过阅读上面的内容,大家对**有了初步的了解,同时也希望大家在学习过程中,做好总结,这样才能不断提升自己的设计水平。

    时间:2021-05-04 关键词: 氢燃料动力电池 锂离子电池 超级电容器

  • 将铅酸电池和超级电容器两者合一的铅炭电池分析

    将铅酸电池和超级电容器两者合一的铅炭电池分析

    随着全球多样化的发展,我们的生活也在不断变化着,包括我们接触的各种各样的电子产品,那么你一定不知道这些产品的一些组成,比如铅炭电池。铅炭电池是一种新型的铅酸电池,它将铅酸电池和超级电容器两者合一,铅炭电池性能优于普通铅酸电池,既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的快速充放电性能。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了负极硫酸盐化现象,改善了过去电池失效的一个因素,延长了电池寿命。 铅碳电池是在超级电池的基础上开发的另一种超级铅酸电池。它的特点是安全,成本低,寿命长,规格大,比功率高,易于维护和可回收资源。铅碳电池的出现允许在电动汽车加速时快速充电和放电,这是传统铅酸电池的几倍,大大降低了成本,并大大提高了性价比。可以说是铅酸电池的一项创新技术。其次,与传统铅酸电池相比,铅碳电池的放电功能可以提高三倍。普通铅酸电池的充放电次数为400至600次,铅碳电池的循环寿命可达到2000次。循环寿命大大提高。 铅碳电池是一种电容性铅酸电池,它是从传统铅酸电池发展而来的技术。普通铅酸电池的正极活性物质是氧化铅(PbO2),负极活性物质是铅(Pb)。碳电池将活性炭混合到负极活性物质Pb中,从而将普通铅酸电池变成铅碳电池,这可以显着提高铅酸电池的性能和寿命。铅碳电池的性能远远优于传统铅酸电池,可用于新能源混合动力汽车,电动自行车等领域;它也可以用于新能源存储领域,例如风能和太阳能存储。铅碳电池具有类似于传统铅酸电池和成熟的工业生产基地的低成本优势,并且在各个应用领域都具有很强的竞争优势。 铅碳电池兼具铅酸电池和电容器的特性。活性炭的添加增加了电池的功率密度并延长了循环寿命。同时,活性炭占据电极空间的一部分,导致能量密度降低,并且还可能增加电极放气的量。就技术而言,活性炭的添加增加了浆料调整和极靴涂覆的难度。通常,铅碳电池的性能要优于普通铅酸电池。它是一种先进的铅酸电池,也是铅酸电池技术发展的主流方向。 首先是快速充电,可将充电速度提高8倍;第二个是放电功率增加了3倍;第三是循环寿命增加到6倍,循环充电次数达到2000次。第四是成本效益,比铅酸电池的价格要低。但是,循环寿命大大提高。第五,使用安全稳定,可广泛用于各种新能源,节能领域。此外,铅碳电池还利用了铅酸电池的特定能量优势,并具有非常好的充放电性能,可以在90分钟内充满电(铅酸电池的寿命小于30时间,如果他们以这种方式充电和放电)。此外,碳(石墨烯)的添加防止了负极的硫酸化并改善了电池故障的原因。 正负铅膏采用独特的配方和优化的固化工艺。正极活性物质的抗软化性强,深循环寿命长,活性物质利用率高。负极铅膏的抗硫化能力强,容量衰减率低,低温启动性能好。正极格栅采用新型特种合金,结构设计合理,具有良好的耐腐蚀性,合理的电流分布,与活性物质的紧密结合,高电流性能和强电荷接受能力。 使用新的电解质添加剂,电池具有较高的氢和氧放出超电势,并且电池不易失水。当电池以频繁的瞬时电流进行充电和放电时,重要的是从具有电容特性的碳材料中释放或接收电流,以抑制铅酸对电池负极的硫化作用,从而有效地延长了电池的使用寿命;当电池在低电流下长时间工作时,与海绵铅负极一起工作以连续供电很重要; 铅炭电池目前是铅酸蓄电池领域最先进的技术,也是国际新能源储能行业的发展重点,具有非常广阔的应用前景。随着铅碳电池技术的发展,在固定式储能、低速电动车、电动自行车等领域都取得很广泛的应用。在研究设计过程中,一定会有这样或着那样的问题,这就需要我们的科研工作者在设计过程中不断总结经验,这样才能促进产品的不断革新。

    时间:2021-04-21 关键词: 铅酸电池 铅炭电池 超级电容器

  • 基于超级电容器的储能系统在分布式微电网中的应用分析

    随着可再生能源发电技术的发展,能够整合分布式电源的微电网是满足日益增长的电力需求、节省投资和提高能源利用效率的一种有效途径。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节,其作用越来越重要。概述了超级电容器的特征和性能,分析了超级电容器储能系统的结构和控制原理,并详细阐述了其在微电网中的应用。基于超级电容器的储能系统,不仅起到能量缓冲的作用,还能够提供短时供电、缓冲微电网中负荷波动、均衡微电源输出、改善微电网电能质量,并且对微电网的经济性能有重要作用。 当今社会对能源和电力供应的质量以及安全可靠性的要求越来越高,传统的大电网供电方式由于其本身的缺陷已经不能满足这种要求。能够集成分布式发电的新型电网——微电网应运而生,它能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性,是未来的发展方向。而作为微电网中必不可少的储能系统,发挥着十分重要的作用。超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性,成为微电网储能的首选装置之一。 目前,在我国比较偏远的山区,架设输电线路的成本较高,而且即使架设了输电线路,运行成本也较高,因此实现电气化有一定的难度。如果利用风力或太阳能发电构建微电网,将电力转化为超级电容器的电场能储存起来,待需要时再将电场能转换为电能供电是非常经济的,而且不会对环境产生任何破坏。 对于我国大部分农村地区,电网可靠性往往不高,难免出现短时停电,然而提高可靠性需要的成本过高。可以在负荷集中区域建立微电网,在电力正常供应时通过超级电容器储能系统将电力储存起来,而在停电时由超级电容器储能系统供电。即使在我国较发达的城市地区,超级电容器储能系统也具有重要的作用。超级电容器储能系统在电力充足时将电力储存起来,而在电力供应不足时回馈给电网,保证电网负载始终是均衡的。同时,超级电容器储能系统可以改善电能质量,取代目前使用的UPS,提高重要负载设备如通信设备、计算机和医疗设备等的供电可靠性。 由此可见,既经济可靠又对环境友好的超级电容器储能系统是大有市场前景的,研究超级电容器储能系统在微电网中的应用也符合对环境保护的要求。太阳能、风能和燃料电池等无污染能源储存在超级电容器中,适时提供电能,不需要投资大的发电站,也不需要复杂的输送电网,是一种投资少、又能有效应用可再生能源的节能措施。 1超级电容器储能 1.1超级电容器的特性 超级电容器(supercapacitor),又叫双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能元件,其容量可达几百至上万法,比功率是电池的10倍以上,储存能力比普通电容器高,具有工作温度范围广、可快速充放电、循环寿命长、无污染、零排放等特点。 1)具有超高的容量。超级电容器的容量最大可做到上万法拉,比同体积的电解电容器容量大2000~6000倍。 2)具有极高的功率密度。超级电容器的功率密度可达到18kW/kg左右,可以在短时间内放出几百到几千安的电流。这个特点使得超级电容器非常适合用于短时间高功率输出的场合。 3)充放电速度快。超级电容器不产生化学反应,可以直接将电力贮存起来,充电所需的时间非常短。超级电容器充电可采用大电流充电,能在几十秒到数分钟内完成充电过程,是真正意义上的快速充电。而蓄电池则需要数小时完成充电,采用快速充电也需要几十分钟。

    时间:2020-07-31 关键词: 微电网 超级电容器

  • 贸泽电子荣膺KEMET亚太区年度优质服务分销商称号

    贸泽电子荣膺KEMET亚太区年度优质服务分销商称号

    2019年7月26日–专注于引入新品并提供海量库存的半导体与电子元器件分销商贸泽电子(Mouser Electronics)宣布荣获KEMET 2019财年亚太区优质服务分销商称号,颁奖仪式已于近日在曼谷举办的KEMET亚洲销售峰会上举行。贸泽电子以持续扩张的分销业务、不断提升的市场份额和整体流程上的出色表现获得了KEMET的认可。在今年早些时候,贸泽电子还获得了KEMET授予的2019年度数字营销合作伙伴大奖。KEMET全球分销副总裁Johnny Boan表示:“贸泽凭借卓越的客户服务、专业的分销经验以及高效的新产品引入速度使其在2019财年中表现突出。这一奖项是为了表彰贸泽过去几年来在营收和新客户增长方面亮眼的整体表现。我们很高兴将此奖项颁发给贸泽,期待他们再创佳绩。”贸泽电子亚太区市场及商务拓展副总裁田吉平女士表示:“KEMET是业界公认的龙头企业,我们很高兴能获得这个奖项。贸泽一直致力于为客户及供应商提供优质的服务,我们的付出能得到肯定,贸泽深感荣幸。希望双方继续合作,共续辉煌。”作为业内一家拥有百年历史的公司,KEMET一直致力于为客户提供业界丰富的电容器技术,以及阵容庞大的机电设备、电磁兼容解决方案以及超级电容器。

    时间:2019-07-26 关键词: kemet 优质服务分销商 超级电容器

  • 基于超级电容器的后备电源电路图

    基于超级电容器的后备电源电路图

      在该应用中,于正常操作期间将两个串联超级电容器充电至 5V,以在主电源出现故障时提供所需的后备电源。只要主电源接入,LTC3536 就将处于静态电流非常低的突发模式 (Burst Mode) 操作,从而最大限度地减少后备存储电容器的电量消耗。MODE 引脚用于在主电源中断时将操作模式从突发模式变更为 PWM 模式。

    时间:2019-01-02 关键词: 电路图 电源技术解析 后备电源 超级电容器

  • 美韩大学教授联合改进柔性超级电容器 能量密度性能直逼电池

      近日,使用简单的逐层涂布技术,美国和韩国的研究人员开发了一种纸质柔性超级电容器,该超级电容器具备高能量和高功率密度的极佳性能。下面就随电源管理小编一起来了解一下相关内容吧。  我们通常根据三种性质来判断储能装置的优劣:能量密度、功率密度和循环稳定性。与电池相比,超级电容通常具有高功率密度,但是能量密度低,即超级电容存储电量的能力要弱于电池,但是瞬间充放电能力要优于电池。  所以想要将电容作为储能设备,其低能量密度是最大的限制。为了提高超级电容器的性能,韩国大学化学与生物工程系的Lee和合作者Jinhan Cho就提高超级电容器的能源密度进行研究,同时他们将保持其高功率产出。  实验中,首先,他们将纸样品浸入含有胺表面活性剂材料的溶液的烧杯中,其中,该表面活性剂可以将金纳米颗粒粘合到纸上;接着,他们将纸浸入含有金纳米颗粒的溶液中。由于纸的本质是一种纤维,且纤维是多孔的,所以表面活性剂和纳米颗粒进入纤维后会很牢固的附着在上面,以此在每个纤维上形成共形涂层。  通过重复浸渍步骤,研究人员得到了一张导电纸,随后他们在其上添加了交替层的金属氧化物储能材料,如氧化锰。对这一过程,Lee表示:“这基本上是一个非常简单的过程,我们在烧杯中交替进行操作,为纤维素纤维提供了良好的保形涂层。这样,我们就可以折叠所得到的金属纸而不损坏导电性。”  研究人员表明,他们的自组装技术改进了纸张超级电容,据测试,该金属纸张超级电容器的最大功率和能量密度分别为15.1 mW / cm2和267.3 uW / cm2,基本超过传统纸张或纺织超级电容。  值得注意的是,此研究中,研究人员使用的是金纳米颗粒,因为该材质颗粒易于使用,但他们计划使用较便宜的金属如银或铜,以降低材料成本。  虽然这项研究涉及到小型纸张样本,但是基于实际应用中解决方案的技术要求,研究人员表示完全可以使用更大的储罐甚至喷涂技术将其放大使用。对于该技术,Lee还补充说:“我们对施涂在纸张上的涂层进行了纳米级控制,如果我们增加层数,性能将继续增加。”  接下来,研究团队将测试柔性织物上的技术,以及开发可与超级电容器配合使用的柔性电池。  关于该技术的应用前景,佐治亚理工学院机械工程学院助理教授Seung Woo Lee表示:“这种灵活的储能装置为可穿戴设备和物联网设备之间提供独特的连接方式,未来它将会应用于生物医学传感器、消费电子和军事电子产品等,将柔性电容与电子设备相结合,它可以推动最先进的便携式电子产品的发展。” 以上是关于电源管理中-美韩大学教授联合改进柔性超级电容器 能量密度性能直逼电池的相关介绍,如果想要了解更多相关信息,请多多关注eeworld,eeworld电子工程将给大家提供更全、更详细、更新的资讯信息。

    时间:2019-01-02 关键词: 电池 电源技术解析 超级电容器

  • 整流滤波中超级电容器的应用

    整流滤波中超级电容器的应用

    中心议题:· 超级电容器在整流滤波中的应用解决方案:· 整流滤波对于电容器的基本要求· 超级电容器用于整流滤波· 测试结果对比本文将超级电容器用于整流滤波,并进行设计和具体实现,测试证明,超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。滤波电容器在整流滤波电路中起着重要作用,电容量越大滤波效果越好。特别是在低压整流(如5V、3.3V甚至更低的电压)输出时往往因为滤波电容器的电容量不够大而产生较大的纹波电压。通过测试表明,整流滤波电路输出1A电流时,分别采用 1000、2200、3300、4700和10000微法的滤波电容器,纹波电压的峰峰值分别为:6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V。如果采用更大的滤波电容器,滤波效果将会更好。问题是大容量电容器体积大。怎样解决这个问题呢?人们立刻想到能否将超级电容器用于整流滤波,本文将通过理论分析和试验给予详尽的分析和试验结果。整流滤波对于电容器的基本要求在开关电源中,输出整流滤波对于电容器而言有四点基本要求,它们分别是:有足够的电容量、符合要求的额定电压、符合要求的ESR(等效串联电阻)和可以承受相应的纹波电流值。只有同时满足这四点基本要求,超级电容器才可以用于开关电源的输出整流滤波。超级电容器作为整流滤波电容器的可能性对于超级电容器而言,它可以轻而易举的达到法拉级电容量,故超级电容器是有足够的电容量作为整流滤波。以前超级电容器的额定电压比较低,虽然可以通过多只串联的方式解决,但是多只串联后将导致ESR的增大,从而增加了ESR的问题。而超级电容器不能用于输出端的整流滤波的主要原因是:在开关电源的输出端整流滤波时,要求滤波电容器有尽可能低的ESR,而以前的超级电容器多只串联后的ESR 很大,这使得超级电容器在用于输出整流滤波时会发热。例如:5个4.7F的超级电容器串联使用时,其ESR大约为300mΩ,这时,若在超级电容器上流过 2A输出电流时,功率为1.2W,这个功率将导致超级电容器严重发热。不过现在的超级电容器已经达到了很高的水平,例如AVX公司生产了一系列 bestcap®超级电容器,它同时具有高额定电压与低ESR的特点,如:一只90mF/12V的bestcap®超级电容器的ESR约为90mΩ,这与 300mΩ相比小很多。可见,bestcap®超级电容器的ESR远低于以前的超级电容器,从而可以同时解决额定电压与ESR的问题;余下的问题就是能否通过相应的纹波电流是否符合要求。选择适合的电容量时(例如选择每安培负载电流1000~10000μF),铝电解电容器基本上不存在不能承受纹波电流,而且其ESR比较低,所产生的效应基本上对铝电解电容器几乎没有影响。bestcap®超级电容器的ESR与铝电解电容器的差不多,而且其具有非常的好阻抗频率特性,故bestcap®超级电容器可以承受相应的纹波电流值。图1为bestcap®超级电容器的阻抗频率特性图。由此可见,bestcap®超级电容器适用于输出整流滤波。超级电容器用于整流滤波现以90mF/12V的超级电容器为例,其相关参数为额定电压12V,额定电容量90mF、ESR90mΩ、体积48×30×6.1mm,温度范围-40℃~+70℃。用超级电容器作为整流滤波电容器与一般的整流滤波电路一样,超级电容器用于整流滤波的电路和输出电流、流过滤波电容器的电流波形如图2,只不过滤波电容器换成了超级电容器。以前,由于超级电容器的额定电压很低(仅2.7V),需要数只超级电容器串联。对于9V输出的稳压电源(考虑市电电压的变化,整流输出电压约为10~12V),但现在只采用一只90mF/12V bestcap®超级电容器就可以实现9V输出的稳压电源的滤波。测试结果对比通过对采用两只插脚式16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的整流滤波电路。在整流输出电压平均值为9V,负载电流2.2A时的整流输出纹波电压如图3,所使用的示波器为F105B数字示波表,选择A通道,AC耦合,时基5mS/div(每格5mS),通道设置100mV/div(每格100mV)。从图中可以看到纹波电压的峰峰值(ΔY)为412mV,充电与放电(电压波形的上升与下降)时间基本相同。通过工频变压器降压后的整流电路,由于工频变压器的漏感作用(抑制电流变化),使滤波电容器几乎工作在或者是充电、或者是放电的状态,与市电直接整流的状态不同。测试结果表明整流输出滤波电容器选择10000μF/A(每安培输出电流用1万微法)的滤波电容时,输出电压的纹波电压的峰峰值约为 510mV,与理论分析结果的600mV/A很接近。因此,对于低压整流滤波电路,为了获得低纹波电压将不得不采用非常大的滤波电容器,不仅体积大而且价格很高。现在采用一只AVX公司生产的90mF/12V bestcap®超级电容器作为整流滤波电容器,在与上面的例子相同的测试条件下,测得输出电压的纹波电压峰峰值为312mV,如图4所示。从纹波电压峰峰值可以看出一只90mF /12V bestcap®超级电容器作为滤波电容器的纹波电压峰峰值比两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的纹波电压峰峰值少 100mV,即采用一只90mF /12V bestcap®超级电容器作为滤波电容器比采用两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的滤波效果好。超级电容器作为整流滤波的效果并不像理想电容器那样使输出电压接近一条直线,而是有一些波动,原因是超级电容器有相对一般电容器大的ESR。一只90mF/12V bestcap®超级电容器的ESR约为90mΩ,滤波电容器上的充、放电的电流差约为输出电流平均值的2倍,因而在输出端出现约310mV的由于ESR 的电压波动,即使如此,还是可以得到很低的纹波电压。由此可见,一只90mF/12V bestcap®超级电容器的滤波效果相当于一只56000μF电解电容器。同时由上述的参数可知,超级电容器的体积比铝电解电容器的体积小很多,故在低压整流滤波的应用中超级电容器将具有很大的性能优势、价格优势和体积优势。通过上述两个实验结果的对比可知,bestcap®超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。同时bestcap®超级电容器具有额定电压高、ESR低、阻抗频率特性好的特点,在今后的研究中,可以通过实验进一步了解超级电容器新的特性和应用,扩展张超级电容器的应用领域。

    时间:2018-07-06 关键词: 开关电源 电源技术解析 整流滤波 超级电容器

  • 超级电容器储能特性研究

    超级电容器储能特性研究

    1引言采用电化学双电层原理的超级电容器—— 双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor; EDLC),也叫功率电容器(PowerCapacitor),是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能装置。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身,具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点[1],广泛用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等,尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视[2]。超级电容器的储能原理不同于蓄电池,其充放电过程的容量状态有其自身的特点。超级电容器受充放电电流、温度、充放电循环次数等因素影响,其中充放电流是最主要的影响因素。由于超级电容器一般采用恒流限压充电的方法,本文主要分析恒流充电条件下的超级电容器特性。恒流限压充电的方法为控制最高电压为Umax,恒流充电结束后转入恒压浮充,直到超级电容器充满。采用这种充电方法的优点是:第一阶段采用较大电流以节省充电时间,后期采用恒压充电可在充电结束前达到小电流充电,既保证充满,又可避免超级电容器内部高温而影响超级电容器的容量特性。2 超级电容器原理及优点根据电极选择的不同,超级电容器主要有碳基超级电容器、金属氧化物超级电容器和聚合物超级电容器等类型,现在应用最为广泛的为碳基超级电容器。电化学双电层电容器的性能在很大程度上取决于碳材料的性质,电极材料的表面积、粒径分布、电导率、电化学稳定性等因素都能影响电容器的性能[3]。碳基超级电容器的电极材料由碳材料构成,使用有机电解液作为介质,活性炭与电解液之间形成离子双电层,通过极化电解液来储能,能量贮存于双电层和电极内部,其原理如图1所示。当用直流电源为超级电容器单体充电时,电解质中的正、负离子聚集到固体电极表面,形成“电极/溶液”双电层,用以贮存电荷。双电层厚度的形成,依赖于电解质的浓度和离子的尺寸,其容量正比于电极表面积,而与“电极/溶液”双电层的厚度成反比;其贮能量受电极材料表面积、多孔电极孔隙率和电解质活度等因素的影响[4]。双电层电容原理图图1 双电层电容原理图超级电容器是一种电化学元件,储能过程中并不发生化学反应,且储能过程是可逆的,因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次,且不会造成环境污染;超级电容器具有非常高的功率密度,为电池的10—100倍,适用于短时间高功率输出;充电速度快且模式简单,可以采用大电流充电,能在几十秒到数分钟内完成充电过程,是真正意义上的快速充电;无需检测是否充满,过充无危险;使用寿命长,充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性;低温性能优越,超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行,容量随温度的衰减非常小。鉴于其优良特性,超级电容器非常适合在多种系统中应用。3 超级电容器恒流充电特性分析3.1 等效电路模型超级电容器单体的基本结构:集电板、电极、电解质和隔离膜[5]。超级电容的储能原理基于多孔材料“电极/溶液”界面的双电层结构,从阻抗角度分析,参考S.A.Hashmi等人的模拟电路,等效电路为一般的RC电路[6]。超级电容器的等效模型如图2所示。其中,EPR为等效并联内阻,ESR为等效串联内阻,C为等效容抗,L为电容感抗。EPR主要影响超级电容器的漏电流,从而影响电容的长期储能性能,EPR通常很大,可以达到几万欧姆,所以漏电流很小。L代表电容器的感性成分,它是与工作频率有关的分量。超级电容器的等效模型图2 超级电容器的等效模型3.2 等效串联电阻对充电过程影响分析限制超级电容器应用的主要因素是电容器的等效串联电阻ESR过大,限制了其大电流输出能力[7]。双电层电容器ESR是反映其性能的一个重要指标[8]。电容器的等效电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻、接触电阻等构成。等效串联电阻的外在表现为:当电极充电到某一恒定电位足够长时间,电容开始放电时电极电位会有一个突降U。该现象影响超级电容器的有效储能量,并随充电电流的增加,端电压的突变幅度增加,有效储能量降低。由于超级电容器在恒电流充放电过程中,电流的大小或方向在充电过程结束和放电过程结束时发生改变,所以可以通过电流阶越方法测定电容器等效串联电阻。具体方法是精确记录改变电流大小及方向时电容器电压的改变,利用关系式ESR=U/I计算电容器的等效串联电阻。室温下,将额定容量为2700F的超级电容器单体的额定电压Umax=2.7V确定为工作电压上限,Umin=1.35V确定为工作电压下限,分别利用恒流I=20A,50A,100A对超级电容器进行充电测试。图3表示了充电过程中超级电容器电压的变化情况。超级电容器充电电压基本呈线性变化:在充电初始阶段,超级电容器电压上升很快,中间变化相对平缓,之后上升幅度再次加快,在充电初始和充电末阶段有明显的电压波动;充电电流越大,满充时间越短,验证了超级电容器大电流快速充电的特点。具体分析超级电容器端电压波动原因,端电压变化幅度ΔU(ΔU1<ΔU2<ΔU3)主要受充电电流和等效串联电阻的影响,这两个因素的作用使超级电容器的有效储能量发生变化,且随着充电电流的增加,电容器有效端电压范围缩短,导致有效储能量降低[9]。超级电容器恒流充电端电压变化图3 超级电容器恒流充电端电压变化3.3 容量特性分析根据电容原理有公式(1)式中:I—电流;C—电容;dVc—因电容放电引起的电压变化量;dt—放电时间变化量。dVc=Idt/C(2)等效串联电阻部分引起的电压降:公式超级电容器端电压总变化dV为:公式变换可得所需超级电容器的容量C:公式对于多孔碳材料做极化电极的超级电容器,其存储电荷的电容C与碳材料的表面性质紧密相关,其中多孔碳电极的比表面积和微观孔径尺寸分布是影响超级电容器双电层容量的重要因素[10]。试验中,分别利用电流为10A、20A、30A、50A、70A、90A、100A对同一超级电容器进行恒流充电,并测量电容器的电容,结果如图 4所示。超级电容器恒流充电容量变化图图4 超级电容器恒流充电容量变化图在动态工作情况下,用线性函数拟合来预测超级电容器在任意工作电流水平点对应的超级电容器静电容量C值。利用Matlab对获取的电容值进行3阶拟合,对应函数为f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5。如图4所示,超级电容器的容量随充电电流的增加而下降。结合超级电容器的内部构成分析,超级电容器的转换效率和有效容量,受其有效内阻和充放电电流的影响,要使其贮能量最大化,就要使容量最大化,即要求电极表面积最大化和双电层厚度的最小化。在充电过程中,充电电流密度影响着电极极化反应的比表面积和微孔传输反应粒子、离子电荷的速度,并因充电电流增大,碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量降低。3.4 基于阻抗分析的电压变化利用超级电容器等效的RC网络电路,在复数域建立其等效电路方程,由Laplace变换和卷积运算获取等效电路的阻抗综合函数。在复数域上,该电路的复数阻抗Z(s)与电压U(s)的关系表示为:公式式中:I(s)—复数域上的充电电流值;s—复数变量;利用Laplace反变换,时间域上的电压V(t)为:公式设阻抗函数为:Z(t)=R+t/C,则公式鉴于实验数据与卷积计算数据之间的偏差随充电电流而不同,考察阻抗函数Z(t)的特点,引入容抗指数p修正阻抗函数的容性阻抗,使之更逼近实际的多孔电极动力学性能[11]。公式当p值为1时,那么Z(t)为原RC模型的阻抗函数。根据我们的分析,小电流充电时电容器的特性越来越接近RC电路。从充电过程的实验数据判定 p在1.03时,阻抗函数比较符合实际电路特性。根据前文利用Laplace变换和卷积运算分析超级电容器阻抗,可以得到超级电容器在充电过程的电压值V(t)=d/dt[I(t)* Z(t)],其中I(t)为充电电流值,Z(t)为超级电容器的阻抗。由于超级电容器一般采用恒流限压充电的方法,本文主要分析恒流充电条件下超级电容器的电压变化情况。分别利用恒流I=20A,50A,100A 对同一超级电容器进行充电测试,记录其电压变化,并将实际曲线变化与理论电压变化曲线进行比较。对比试验数据和仿真结果可知(图5),小电流充电时,卷积运算结果与试验数据的一致性较好,电流和电压的变化趋势与实际超级电容器的充电变化相一致,证明了RC等效电路能够较好的表示超级电容器的特性。从阻抗角度分析,参数R和C对仿真结果的影响不同,参数R只改变开始时的电压突变,不影响线性部分的斜率,而参数C 决定着线性部分的斜率,影响着它与实际试验数据的逼近程度。恒流充电电压变化图图5 恒流充电电压变化图3.5储能量变化分析:若采用恒流充电,电容C不随超级电容器的端电压变化,则任意t时刻的储能量可表示为:公式式中:Qt—充电任意时刻的电荷量;Vt—恒流充电条件下任意时刻的电压值;V0—电容充电下限值;I—充电电流。超级电容器储能量Et与充电电流、工作电压范围、环境温度等因素有关。图6描述了在室温条件和上述规定的工作电压范围中,超级电容器储能量与充电电流的函数变化关系,利用Matlab拟合分析,拟合函数为f(x)=0.01x2-1.82x+9404.42。小电流(小于50A)和中等程度电流(50A~70A)充电,获得的电能储量值比较接近,基本保持恒定,但随着充放电电流的增大(大于70A),其电能储量值迅速下降,下降梯度大,所以大电流在实现快速充电的同时,超级电容器的储能量受到了较大的限制。储能量与电流关系变化图图6 储能量与电流关系变化图3.6 充电效率分析充放电循环试验中,由于超级电容器等效电阻的影响,依据库仑效率,充电过程中实际消耗的能量Wk要大于超级电容器的可用储能量Et,二者之间的比值定义为超级电容器的充电效率[12]。公式图7描述了恒流充电条件下,超级电容器充电效率随充电电流的变化关系。当充电电流较小时,充电效率相对较低;随着充电电流的增加,充电效率逐渐升高;当充电电流继续增大到一定水平点,充电效率下降,即中等程度的充电电流对应着较高的充电效率。所以在选择超级电容器充电电流时,应该综合考虑超级电容器的充电时间、储能量和充电效率等因素,以期满足用户实际需求并实现超级电容器的最佳配置。充电效率与电流关系变化图图7 充电效率与电流关系变化图3.7 循环寿命分析超级电容器的循环寿命可以很长,理论上循环寿命是无限,实际中,虽然受到隔膜影响、电解液稳定性等因素限制,循环寿命也可高达数十万次。采用恒定充电稳压方式进行充放电循环,测量时间序列的超级电容值,可以综合判断超级电容器的循环使用寿命[13]。从图8可以看出,经过3000次循环,混合电容器的电容和能量密度几乎无衰减,说明电容器具有稳定的充放电性能,循环寿命长。超级电容器循环寿命分析图8 超级电容器循环寿命分析电容器容量在3000次循环时电容容量达到最大值,整个循环过程中容量变化不大。结合超级电容器的内部构成分析:刚开始进行充放循环时,电极表面最外层的活性物质与电解液接触较好,得以充分利用,而内腔中部分活性炭的中微孔未被利用;随着充放电循环次数的增加,越来越多的中微孔湿润,传递电荷的速度加快,从而使电容器的容量呈上升趋势;然而随着循环的继续进行,活性物质存储电荷的活性有所下降,电容器的容量有所衰减。3.8 漏电流的测试任何超级电容器都会在通电的情况下,通过内部并联电阻EPR放电,这个放电电流称为漏电流,它会影响超级电容器单元的自放电。由于漏电流的存在,内部并联电阻的大小将决定串联的超级电容器单元上的电压分配,当超级电容器上的电压稳定后,各个单元上的电压将随着漏电流的不同而发生变化,而不是随着容值不同而变化。为了补偿漏电流的变化,常采用的方法是在每一个单元旁边并联一个电阻,来控制整个单元的漏电流。这种方法有效地降低了各单元之间相应并联电阻的变化[14]。由于超级电容器静电容量非常大,因此规定在该电容器上施加工作电压30min后所测得的电流为该电容器的漏电流[15]。测试实验如图9所示,温度为(25±5)℃;施加电压为电容器的工作电压,且在测试过程中电源电压波动不超过±0.01V;充电时间为60min;取样电阻10Ω。由漏电流测试图(见图9)得计算公式为:公式漏电流测试图超级电容器的漏电流和循环次数的关系如图10所示,开始循环时漏电流较大,漏电电流随测试的进行快速降低。主要因为在前几次循环过程中,充电时虽然有大量电荷积累在电极表面形成双电层,由于电解液在电极内部传递电荷的速度较慢,使得活性炭内腔中很多孔未得到充分利用,靠静电吸引在“电极/溶液” 界面上积累部分电荷在放电瞬间释放,导致了比较大的漏电流。随着恒压时间的延长,漏电流逐渐减小,30min后基本趋于平稳。循环1000次后,电容器的漏电流保持在4mA以下的较小范围内,5000次减小到2mA,表明电容器性能在循环后趋于稳定,具有较长的循环寿命。不同循环次数后电容器的漏电流测试曲线图10 不同循环次数后电容器的漏电流测试曲线4 结语超级电容器一般采用恒流稳压充电的方法,理论分析及测试结果表明:(1)从阻抗角度分析,采用RC等效电路能够较好地描述超级电容器的基本特性;(2)恒流充电始末阶段有明显电压波动,电压波动幅度主要受充电电流和等效串联电阻的影响,从而影响超级电容器的有效储能量;(3)超级电容器的容量随充电电流的增加而下降,相应拟合函数为 f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5;(4)由Laplace变换和卷积运算获取等效电路的阻抗综合函数Z(t)=R+t/C,可以得到超级电容器在充电情况的电压值V(t)=d /dt[I(t)* Z(t)];(5)超级电容器储能量与充电电流的拟合函数为f(x)=0.01x2-1.82x+9404.42。中、小程度恒流充电,获得的电能储量值比较稳定,大电流充电在实现充电时间缩短的同时,超级电容器的储能量受到了较大的限制;(6)当充电电流较小时,充电效率相对较小,中等程度的充电电流对应着较高的充电效率,当充电电流增大到一定水平点,充电效率下降;(7)在选择超级电容器充电电流时,应该综合考虑超级电容器的充电时间、储能量和充电效率等因素,以期满足用户实际需求并实现超级电容器的最佳配置;(8)经过3000次循环,混合电容器的电容和能量密度几乎无衰减,说明电容器具有稳定的充放电性能,循环寿命长;(9)开始循环时超级电容器漏电流较大,30min后基本趋于平稳,表明电容器性能在循环后趋于稳定,具有较长的循环寿命。

    时间:2018-07-05 关键词: 家用电器 电动汽车 电源技术解析 超级电容器

  • 基于开关电源的整流滤波中超级电容器的理论分析

    基于开关电源的整流滤波中超级电容器的理论分析

    本文将超级电容器用于整流滤波,并进行设计和具体实现,测试证明,超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。滤波电容器在整流滤波电路中起着重要作用,电容量越大滤波效果越好。特别是在低压整流(如5V、3.3V甚至更低的电压)输出时往往因为滤波电容器的电容量不够大而产生较大的纹波电压。通过测试表明,整流滤波电路输出1A电流时,分别采用1000、2200、3300、4700和10000微法的滤波电容器,纹波电压的峰峰值分别为:6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V.如果采用更大的滤波电容器,滤波效果将会更好。问题是大容量电容器体积大。怎样解决这个问题呢?人们立刻想到能否将超级电容器用于整流滤波,本文将通过理论分析和试验给予详尽的分析和试验结果。整流滤波对于电容器的基本要求在开关电源中,输出整流滤波对于电容器而言有四点基本要求,它们分别是:有足够的电容量、符合要求的额定电压、符合要求的ESR(等效串联电阻)和可以承受相应的纹波电流值。只有同时满足这四点基本要求,超级电容器才可以用于开关电源的输出整流滤波。 图1 阻抗频率特性 图2 超级电容器作为整流滤波电容器 超级电容器作为整流滤波电容器的可能性对于超级电容器而言,它可以轻而易举的达到法拉级电容量,故超级电容器是有足够的电容量作为整流滤波。以前超级电容器的额定电压比较低,虽然可以通过多只串联的方式解决,但是多只串联后将导致ESR的增大,从而增加了ESR的问题。而超级电容器不能用于输出端的整流滤波的主要原因是:在开关电源的输出端整流滤波时,要求滤波电容器有尽可能低的ESR,而以前的超级电容器多只串联后的ESR很大,这使得超级电容器在用于输出整流滤波时会发热。例如:5个4.7F的超级电容器串联使用时,其ESR大约为300mΩ,这时,若在超级电容器上流过2A输出电流时,功率为1.2W,这个功率将导致超级电容器严重发热。不过现在的超级电容器已经达到了很高的水平,例如AVX公司生产了一系列bestcap?超级电容器,它同时具有高额定电压与低ESR的特点,如:一只90mF/12V的bestcap?超级电容器的ESR约为90mΩ,这与300mΩ相比小很多。可见,bestcap?超级电容器的ESR远低于以前的超级电容器,从而可以同时解决额定电压与ESR的问题;余下的问题就是能否通过相应的纹波电流是否符合要求。选择适合的电容量时(例如选择每安培负载电流1000~10000μF),铝电解电容器基本上不存在不能承受纹波电流,而且其ESR比较低,所产生的效应基本上对铝电解电容器几乎没有影响。bestcap?超级电容器的ESR与铝电解电容器的差不多,而且其具有非常的好阻抗频率特性,故bestcap?超级电容器可以承受相应的纹波电流值。图1为bestcap?超级电容器的阻抗频率特性图。由此可见,bestcap?超级电容器适用于输出整流滤波。超级电容器用于整流滤波现以90mF/12V的超级电容器为例,其相关参数为额定电压12V,额定电容量90mF、ESR90mΩ、体积48×30×6.1mm,温度范围-40℃~+70℃。用超级电容器作为整流滤波电容器与一般的整流滤波电路一样,超级电容器用于整流滤波的电路和输出电流、流过滤波电容器的电流波形如图2,只不过滤波电容器换成了超级电容器。以前,由于超级电容器的额定电压很低(仅2.7V),需要数只超级电容器串联。对于9V输出的稳压电源(考虑市电电压的变化,整流输出电压约为10~12V),但现在只采用一只90mF/12V bestcap,超级电容器就可以实现9V输出的稳压电源的滤波。测试结果对比通过对采用两只插脚式16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的整流滤波电路。在整流输出电压平均值为9V,负载电流2.2A时的整流输出纹波电压如图3,所使用的示波器为F105B数字示波表,选择A通道,AC耦合,时基5mS/div(每格5mS),通道设置100mV/div(每格100mV)。从图中可以看到纹波电压的峰峰值(ΔY)为412mV,充电与放电(电压波形的上升与下降)时间基本相同。通过工频变压器降压后的整流电路,由于工频变压器的漏感作用(抑制电流变化),使滤波电容器几乎工作在或者是充电、或者是放电的状态,与市电直接整流的状态不同。测试结果表明整流输出滤波电容器选择10000μF/A(每安培输出电流用1万微法)的滤波电容时,输出电压的纹波电压的峰峰值约为510mV,与理论分析结果的600mV/A很接近。因此,对于低压整流滤波电路,为了获得低纹波电压将不得不采用非常大的滤波电容器,不仅体积大而且价格很高。图3 两只16V/3300 铝电解电容器并联的整流输出现在采用一只AVX公司生产的90mF/12V bestcap?超级电容器作为整流滤波电容器,在与上面的例子相同的测试条件下,测得输出电压的纹波电压峰峰值为312mV,如图4所示。从纹波电压峰峰值可以看出一只90mF /12V bestcap?超级电容器作为滤波电容器的纹波电压峰峰值比两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的纹波电压峰峰值少100mV,即采用一只90mF /12V bestcap?超级电容器作为滤波电容器比采用两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的滤波效果好。超级电容器作为整流滤波的效果并不像理想电容器那样使输出电压接近一条直线,而是有一些波动,原因是超级电容器有相对一般电容器大的ESR.一只90mF/12V bestcap?超级电容器的ESR约为90mΩ,滤波电容器上的充、放电的电流差约为输出电流平均值的2倍,因而在输出端出现约310mV的由于ESR的电压波动,即使如此,还是可以得到很低的纹波电压。由此可见,一只90mF/12V bestcap超级电容器的滤波效果相当于一只56000μF电解电容器。同时由上述的参数可知,超级电容器的体积比铝电解电容器的体积小很多,故在低压整流滤波的应用中超级电容器将具有很大的性能优势、价格优势和体积优势。图4 一只90mF/12V bestcap超级电容器的滤波效果通过上述两个实验结果的对比可知,bestcap超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。同时bestcap?超级电容器具有额定电压高、ESR低、阻抗频率特性好的特点,在今后的研究中,可以通过实验进一步了解。

    时间:2018-06-21 关键词: 开关电源 电源技术解析 整流滤波 超级电容器

  • 电动汽车将迎电池革命:快充比加油快3倍 寿命100万次循环

    Nawa Technologies官方表示,在融入碳纳米超级电容器后锂电池充电速度有明显提升,重量也有明显下降,在应用于电动汽车上能够增加续航里程和性能输出。这家位于法国马赛的创业公司,正在研发新型电池,在问世后相信会给传统电动汽车行业带来颠覆性改变。 Nawa Technologies的核心产品是一种新型碳纳米超级电容器,相比较传统锂电池在诸多方面有着显著的优势。首先,这款超级电容器的充放电倍率是传统电池的1000倍,能够在短短数秒中完成汽车充电,甚至比传统汽车加油要快3倍。 而且由于没有发生化学反应,仅仅只是质子和离子之间的物理分离,超快充电并不会导致电池产生热量或者膨胀。这意味着碳纳米超级电容器的使用寿命非常长,充电周期可以高达100万次。 而这仅仅只是这种新型电池的优势之一,Nawa认为最大的优势是绿色环保。Nawa联合创始人兼COO Pascal Boulanger表示:“对于我而言,那个不使用锂、钴、稀土金属的梦想即将要变成现实。这些材料污染严重,而且从地球上提取的过程非常复杂。” “Nawa的超级电容器只使用碳和铝两种材料,我们的碳源来自于大自然,是可持续的资源,我们不需要开采。当我创造Nawa时,我就希望是一种真正的,可持续的方式来进行。这是我的梦想,构建一个更安全更清洁的能源。

    时间:2018-06-12 关键词: 锂电池 电动汽车 电源技术解析 超级电容器

  • 锂电池新突破!零下60度也能高效运行

    最新出版的《科学》杂志刊登了电解液化学研究领域的一项重大突破:美国科学家首次使用液化气取代电解液,分别让锂电池和超级电容器在零下60℃和零下80℃还能保持高效运行。新技术不仅提高了电动车在寒冷冬季单次充电的运行里程,还能为高空极冷环境下的无人机、卫星、星际探测器等提供电能。 科学界普遍认为,电解质是改进储能装置性能的最大瓶颈。液态电解质已经遭遇研究极限,许多科学家现在将目光聚焦在固态电解质。但加州大学圣地亚戈分校可持续电力和能源中心及能源储存和转换实验室主任孟颖教授带领其团队,反其道而行之,研究气态电解质并取得突破。这些气态电解质能在一定压力下液态化,且更能抗冻。 在新研究中,他们从大量气体候选物中选出两种液化气——氟甲烷和二氟甲烷,分别制成锂电池和超级电容的电解质,使得锂电池的最低工作温度从零下20℃延伸到零下60℃,超级电容的工作温度从零下40℃延伸到零下80℃。而且,回到正常室温后,这些电解质仍能保持高效工作状态。 除了创造低温工作纪录,这些气态电解质还克服了锂电池中常见的热失控问题,更具安全优势。热失控是电池中的热量恶性循环,电池工作时温度会升高,启动一系列化学反应,这些反应产生的热量反过来进一步让电池变热,使电池膨胀而毁坏。但气态电解质在高于室温的环境下,会启动一种天然关闭机制,让电池失去导电性停止工作,从而防止电池过热。 最新研究还克服了锂电池充放电寿命太短的另一大挑战。因重量轻且能储存更多电荷,锂金属被公认为终极电极材料,但锂会与传统电解液发生反应,在电极表面形成针尖状突起,将电池分隔从而引起短路,造成充放电次数过少。而新电解质不会形成突起,大大延长了电池寿命。 研究人员表示,他们下一步要实现锂电池在更低温度下(零下100℃)工作的目标,为火星探测甚至木星和土星等深空探测装置提供全新供能技术。

    时间:2017-06-19 关键词: 锂电池 电源资讯 超级电容器

  • 中科院成功研制硫掺杂石墨烯基柔性全固态超级电容器

    中科院成功研制硫掺杂石墨烯基柔性全固态超级电容器

     近日,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所博士王奇和南京师范大学教授韩敏课题组合作,在高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的规模化制备及其在柔性全固态超级电容器应用方面取得新进展。     3D掺杂石墨烯基杂化纳米材料制备示意图及其结构表征 部分研究成果已在线发表于国际期刊Small上,并被选为该杂志的Inside Front Cover。 为满足人们对柔性可穿戴电子产品日益增长的需求,迫切需要发展柔性全固态功率源或能量储存装置。要想实现这一目的,关键在于设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料。杂原子掺杂石墨烯以及2D层状金属硫化物(LMCs)纳米结构的出现,为高性能电极材料的设计带来了新的契机,但其储能性能(能量密度、循环稳定性等)尚需进一步提高。能否将上述两类材料有效“联姻”或耦合,从而发展出高性能的电极材料,至今仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。 针对上述问题,王奇和韩敏课题组开展了合作研究,利用可控热转换油胺包裹的SnS2-SnS混相纳米盘前驱物的策略,巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,首次成功实现了硫掺杂石墨烯(S-G)和SnS杂化纳米片的原位合成与组装,得到了新颖的3D多孔SnS/S-G 杂化纳米建筑。相比传统合成策略,该方法具有简单高效、重现性好、可规模化制备等优点,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。在三电极体系中以KOH溶液作为电解液,所得3D石墨烯复合材料质量比电容高达642 F g-1 (电流密度为1 A g-1),远高于近来报道的石墨烯复合物和其他电活性材料(如体相和纳米级的SnS及其复合物、G-Mn3O4纳米棒、G-CoS2、2D CoS1.07/N- C纳米杂化体等)。     3D掺杂石墨烯基柔性全固态超级电容器的构建及性能测试 随后,进一步研制出了柔性全固态超级电容器器件ASSSCs,展现出优异的电化学储能性能:面积比电容高达2.98 mF cm-2、优异的长程循环稳定性(99% for 10000 cycles)、优秀的柔性和机械稳定性(可反复折叠或弯折1000次以上而性能不变),优于报道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2纳米结构基柔性ASSSCs。 这项工作提出了原位集成和组装2D纳米结构单元来构建3D多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。此外,通过优化设计和组合,还有望延伸出其它类型的多功能3D多孔骨架材料,后续工作正在进行之中。 上述工作得到了国家自然科学基金、中科院合肥研究院院长基金特别支持项目的资助。

    时间:2017-03-16 关键词: 石墨烯 电源资讯 超级电容器

  • 解决超级电容器低容量难题,南京理工大学怎么做到的

    功率密度高、充放电时间短、循环寿命长……说起超级电容器的好处很多,但是目前市场上的商用超级电容器容量普遍较低,影响了超级电容器的广泛应用。南京理工大学发现一种电极材料改性的方法,将大大提高电容器的容量。该成果已发表在最新一期国际权威刊物《先进材料》上。 超级电容器作为一种新型的高效储能装置,可以在短短几十秒时间内完成充电,并拥有数十万次的使用寿命。目前,市场上商业应用的超级电容器多采用活性碳材料电极,能量存储率有限,市场上的高端超级电容器每千克的容量只有锂电池的1/12,限制了超级电容器的应用。而金属氧化物做电极材料会拥有高3至4倍以上的理论容量,但由于电子、离子传输性能差,实际应用中容量却很难达到理论高度。 南京理工大学格莱特纳米科技研究所夏晖教授课题组,一直尝试通过材料改性解决容量瓶颈,即在能源材料化学结构中引入或拿出一些原子或基团,来改善材料本身较差的电化学特性。 课题组在一次合成金属磷化物失败的实验中,偶然发现了一种有趣的改性方法:一种磷酸根离子可以对多种金属氧化物(如四氧化三钴、氧化铁、氧化镍)电极材料进行表面改性。 通过磷酸根离子调节电极表面金属离子的周边电子环境以及多孔的超薄纳米片形貌,方便离子传输,提高氧化还原反应的效率,从而提高超级电容器的容量。该项研究将为超级电容器的广泛应用开启一个新的契机。

    时间:2017-02-13 关键词: 电子 电极材料 超级电容器

  • 双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

    双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

    背景信息 超级电容器 (又称为 SCAP、双层电容器等) 不仅仅是电容非常大的电容器。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比,超级电容器以类似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和更大的电容。随着生产超级电容器 的成本持续下降,同时市场逐步了解超级电容器的功能,超级电容器正在传统电容器和电池之间开拓出一个日益增长且有利可图的市场。此外,尽管对待超级电容器 需要某种程度上的“小心维护”,但是在那些要求高电流 / 短持续时间后备供电的数据存储应用中,它们可为电池起到增补作用 (作为一种可降低主电源所承受之应力从而延长其寿命的互补电源),甚至取代电池。再者,超级电容器还可用在需要大电流突发或短暂电池备份的各种高峰值功率 和便携式应用中,例如 UPS (不间断电源) 系统。与电池相比,超级电容器以更小的外形尺寸提供峰值功率更大的突发,在更宽的工作温度范围内提供更长的充电周期寿命。通过降低电容器的 Top-Off 电压和避免高温 (>50°C),可以最大限度延长超级电容器的寿命。参见图 1 和表 1 以了解超级电容器的能量密度以及与其他形式电源的比较。 图 1:存储组件的能量密度和功率密度 表 1:超级电容器与电容器及电池的比较 参数 超级电容器 电容器 电池 能量存储 能量 (单位:瓦秒) 能量 (单位:瓦秒) 能量 (瓦时) 充电方法 端子之间的电压 端子之间的电压 恒定电流和恒定电压 所提供的功率 快速放电、线性或指数电压衰减 快速放电、线性或指数电压衰减 在长时间内保持恒定电压 充电 / 放电时间 毫秒至秒 皮秒至毫秒 1 小时至 10 小时 外形尺寸 小型 小型至大型 小型到大型 重量 1g 至 2g 1g 至 10kg 1g 至 >10kg 能量密度 1 Wh/kg 至 5Wh/kg 0.01Wh/kg 至 0.05Wh/kg 8Wh/kg 至 600Wh/kg 工作电压 每节电池 2.3V 至 2.75V 6V 至 800V 每节电池 1.2V 至 4.2V 寿命 >10 万个周期 >10 万个周期 150 至 1500 个周期 工作温度 –40°C 至 +85°C –20°C 至 +100°C –20°C 至 +65°C 超级电容器与电池比较总结: Ø电池: •能量密度高 •合理的功率密度 •在低温时 ESR 高 Ø超级电容器: •合理的能量密度 •功率密度高 •低 ESR ― 甚至在低温时 (–20°C 与 25°C 相比,提高约 2 倍) Ø超级电容器限制: •最高终止电压限制到 2.5V 或 2.75V •插入浪涌电流太大 •在保持应用中无电流反向保护 Ø串联超级电容器优势: •允许更好地利用能量 E = 1/2 CV2 •简化“濒临崩溃”/ 备份电路 •对于 3.3V 备份采用升压而不是降压 •适合大功率备份、工业温度范围 Ø串联超级电容器的潜在问题: •SCAP 可能有容量失配问题 •SCAP 泄漏失配可能随时间变化引起过压问题 ─ 电池需要持续平衡 •SCAP 电容和 ESR 随时间变化下降,而且不总是以同样的速率下降 •SCAP 退化随过压和高温而加速 超级电容器设计困境 超级电容器有很多优势,然而在给串联的能量存储器件充电时,最终产品设计师可能要面对诸如电池容量平衡、充电时电池过压损坏、过大的电流消耗、解决方案占板面积很大而空间利用率又至关重要等问题。 串联电容器的容量平衡确保每节电池上的电压大致相当。超级电容器的容量不平衡可能导致过压损坏。每节电池配备一个平衡电阻器的外部电路是解决容量不 平衡问题的一种办法。平衡电阻器的值将取决于超级电容器的工作温度及其充电 / 放电曲线。为了限制平衡电阻器引起的电流泄漏对超级电容器能量存储的影响,设计师还可以使用电流非常小的主动平衡电路。另一个容量失配的原因是泄漏电流不 同。电容器的泄漏电流开始时很大,然后随着时间推移降至较低的值。不过,如果串联电池之间的泄漏电流失配,那么电池一开始再充电就可能过压,除非设计师用 平衡电阻器消除泄漏电流。不过,平衡电阻器产生不想要的组件和负载电流,加重了应用电路负担。 超级电容器充电器 IC 设计挑战 在开始设计超级电容器充电方案时,设计师必须考虑的一些更棘手的问题是以下需求: ·备份能力。超级存储电容器最终要提供存储的能量,以在主电源轨万一出故障时提供备份。因此,通常需要两个单独的电源转换器:第一个用来给超级电容 器充电,第二个用来保持主电源轨吸取超级电容器中存储的能量。用单个转换器提供这两种功能是最理想的,但是,转换器必须双向工作,检测主电源何时缺失,并 在备份和充电模式之间无缝转换,同时还要具备很宽的工作范围,以确保利用所有可用备份能量。 ·高效率和大充电电流。高效率、大电流降压-升压型超级电容器充电器 / 平衡器能够包括充分利用超级电容器优势所需的所有功能。而分立式解决方案,尽管可能,但是复杂、较大、效率较低、准确度较低。 ·高准确度和负载均分能力。具 ±2% 准确度的输入电流限制和输入负载均分使多个负载能够以最小降额 / 裕度均分同一电源的全部供电能力。这样的功能用分立式解决方案是无法实现的。 ·主动平衡。大多数超级电容器系统采用耗能 (电阻器) 平衡方法。主动平衡在电容器之间来回高效运送电荷,从而消除了功率损耗以及采用耗能方法所需的后续再充电周期。 本文所述解决这些问题的降压-升压型 IC 超级电容器充电解决方案需要具备以下所有性能特点: •提供备份电源,并给超级电容器充电 •灵活性 ― 必须以升压或降压模式高效地工作 •能够以可编程最高电容器电压执行主动充电平衡 •提供大充电电流能力 •具备准确的可编程平均输入电流限制 •占板面积小的扁平解决方案 •拥有先进的封装以提高热性能和空间利用效率 一种新型 IC 满足所有需求 LTC3110 是一款双向、输入电流可编程降压-升压型超级电容器充电器,具备面向一或两个串联超级电容器的主动充电平衡功能。其专有低噪声降压-升压型拓扑能够完成两 个单独的开关稳压器的工作,从而减小了解决方案尺寸、成本和复杂性。LTC3110 以两种模式工作,备份和充电模式。在备份模式,该 IC 保持系统电压 VSYS 为 1.71V 至 5.25V,由超级电容器存储的能量供电。此外,超级电容器存储输入 VCAP 具备很宽的 5.5V 直至 0.5V 之实际工作范围。这确保几乎所有超级电容器储存的能量都能得到利用,从而延长了备份时间或者减小了存储电容器尺寸。在充电模式,当主电源系统有效 时,LTC3110 可自主 (或通过用户命令) 和无缝地调转电源流动方向,利用稳定的系统电压实现超级电容器的充电和平衡。通过降压-升压型转换器,VCAP 被高效充电至高于或低于 VSYS,该器件还具备充电模式平均输入电流限制,该限制能够以 ±2% 的准确度设定为高达 2A,从而防止系统电源过载,同时最大限度缩短电容器再充电时间。参见图 2 所示典型应用电路。 图 2:LTC3110 典型应用电路 LTC3110 的主动充电平衡消除了外部耗能镇流电阻器的持续泄漏,从而甚至在电容器失配和再充电周期较不频繁时,也可确保平衡地运行和充电。可编程最大电容器电压调节 功能主动地对串联电容器组中每个电容器上的电压进行平衡,并将其限制到 1/2 设定值,从而确保随电容器老化以及容量逐渐失配而可靠工作。RDS(ON) 很低、栅极电荷很少的同步开关提供高效率转换,以最大限度缩短存储组件的充电时间。因此,LTC3110 非常适合给备份电源应用中的大型电容器安全地充电并提供保护,例如具电池 / 电容器备份的服务器和 RAID 系统以及 RF 系统。 LTC3110 的输入电流限制和最高电容器电压是电阻器可编程的。平均输入电流在 0.125A 至 2A 设定范围内是准确控制的。引脚可选突发模式 (Burst Mode) 工作提高了轻负载效率,将备用电流降至仅为 45µA,停机电流低于 1µA。LTC3110 的其他特点包括可最大限度减小外部组件尺寸的 1.2MHz 高开关频率、热过载保护、用于方向控制和充电终止的两个电压监察器以及一个具集电极开路输出、用于连接μC 或 µP 的通用比较器。LTC3110 采用紧凑的耐热性能增强型 24 引线 4mm x 4mm QFN 和 TSSOP 封装,两种封装版本都在 -40°C 至 +150°C 的 H 级工作温度范围内工作。 总之,LTC3110 的主要特色是: ·VCAP 工作范围:0.1V 至 5.5V ·VSYS 工作范围:1.71V 至 5.25V ·从充电模式到备份模式自动切换; ·范围为 125mA 至 2A、准确度为 ±2% 的可编程充电输入电流限制 ·±1% 备份电压准确度 ·自动电容器容量平衡 ·以固定 1.2MHz 频率切换 ·突发模式工作:45μA IQ ·具集电极开路输出的额外可编程多用途比较器 ·集电极开路输出指示工作方向和充电终止 ·扁平 TSSOP-24 和 4mm x 4mm QFN-24 封装 高效率充电 专有开关算法在工作模式之间提供无缝转换,在所有工作区内消除了平均电感器电流、电感器电流纹波以及环路传输函数的不连续性。与传统的 4 开关降压-升压型转换器相比,这些优势导致效率提高、环路稳定性增强以及 VSYS 电压纹波减小。实现降压-升压型充电器的开关拓扑如图 3 所示。 图 3:LTC3110 的降压-升压型充电器开关拓扑 两个开关 (C 和 D) 连接 SW2 至 VSYS,以在整个输出电压范围内提供高效率。LTC3110 有非常高的效率,几乎达到 95%,如图 4 中的曲线所示。 图 4:LTC3110 效率随 VOUT 特性的变化 结论 LTC3110 是一款双向、平均输入电流受到控制的降压-升压型 DC/DC 超级电容器充电器 / 稳压器,采用了专有开关算法,从而使其输出能够调节至高于、低于或等于输入电压。该器件由一个芯片组成,提供了紧凑、强大和灵活的解决方案。 LTC3110 在通用封装中集成了高效率超级电容器充电、备份调节以及容量平衡 / 保护功能,从而很容易适合多种系统配置。这显著地简化了以前非常困难的设计任务 。

    时间:2015-12-14 关键词: 电源技术解析 超级电容器

  • 吸睛:超级电容器织出电池衣服?

    新加坡南洋理工大学(NTU)、中国清华大学和美国凯斯西储大学的联合团队开发出一种像纤维一样的柔性微型超级电容器,可织成衣服作为穿戴式医疗监控、通讯设备或其他小型电子产品的电源,在研发新型储能装置方面迈出了一大步。该研究成果已在《自然纳米技术》上发布。 这种新型设备是一种超级电容器,犹如电池家族中的“堂弟”。它囊括的石墨烯和碳纳米管的互联网络十分紧致,其存储的能量相比一些薄膜锂电池更具优势。该装置具有保持充电和释放能量比电池快得多的优点。这种纤维结构的杂化材料提供了巨大可接触的表面区域,并高度导电。 研究人员相信,这一体积的存储容量(称为体积能量密度)是迄今基于碳的微型超级电容器的最高值:每立方毫米6.3微瓦特小时。 该纤维还可以十字交叉的方式织成服装,作为在智能纺织品方面的可穿戴设备。例如,这样的衣服可以为在家携带生物医学监控仪器的病人供电,可提供信息给在医院的医生。织入制服像电池般的超级电容器可为显示器或通信的晶体管提供电源。

    时间:2015-08-24 关键词: 电源资讯 超级电容器

  • 对整流滤波中超级电容器的应用具体实现和测试证明

    本文将超级电容器用于整流滤波,并进行设计和具体实现,测试证明,超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。滤波电容器在整流滤波电路中起着重要作用,电容量越大滤波效果越好。特别是在低压整流(如5V、3.3V甚至更低的电压)输出时往往因为滤波电容器的电容量不够大而产生较大的纹波电压。通过测试表明,整流滤波电路输出1A电流时,分别采用 1000、2200、3300、4700和10000微法的滤波电容器,纹波电压的峰峰值分别为:6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V。如果采用更大的滤波电容器,滤波效果将会更好。问题是大容量电容器体积大。怎样解决这个问题呢?人们立刻想到能否将超级电容器用于整流滤波,本文将通过理论分析和试验给予详尽的分析和试验结果。整流滤波对于电容器的基本要求在开关电源中,输出整流滤波对于电容器而言有四点基本要求,它们分别是:有足够的电容量、符合要求的额定电压、符合要求的ESR(等效串联电阻)和可以承受相应的纹波电流值。只有同时满足这四点基本要求,超级电容器才可以用于开关电源的输出整流滤波。超级电容器作为整流滤波电容器的可能性对于超级电容器而言,它可以轻而易举的达到法拉级电容量,故超级电容器是有足够的电容量作为整流滤波。以前超级电容器的额定电压比较低,虽然可以通过多只串联的方式解决,但是多只串联后将导致ESR的增大,从而增加了ESR的问题。而超级电容器不能用于输出端的整流滤波的主要原因是:在开关电源的输出端整流滤波时,要求滤波电容器有尽可能低的ESR,而以前的超级电容器多只串联后的ESR 很大,这使得超级电容器在用于输出整流滤波时会发热。例如:5个4.7F的超级电容器串联使用时,其ESR大约为300mΩ,这时,若在超级电容器上流过 2A输出电流时,功率为1.2W,这个功率将导致超级电容器严重发热。不过现在的超级电容器已经达到了很高的水平,例如AVX公司生产了一系列 bestcap?超级电容器,它同时具有高额定电压与低ESR的特点,如:一只90mF/12V的bestcap?超级电容器的ESR约为90mΩ,这与 300mΩ相比小很多。可见,bestcap?超级电容器的ESR远低于以前的超级电容器,从而可以同时解决额定电压与ESR的问题;余下的问题就是能否通过相应的纹波电流是否符合要求。选择适合的电容量时(例如选择每安培负载电流1000~10000μF),铝电解电容器基本上不存在不能承受纹波电流,而且其ESR比较低,所产生的效应基本上对铝电解电容器几乎没有影响。bestcap?超级电容器的ESR与铝电解电容器的差不多,而且其具有非常的好阻抗频率特性,故bestcap?超级电容器可以承受相应的纹波电流值。图1为bestcap?超级电容器的阻抗频率特性图。由此可见,bestcap?超级电容器适用于输出整流滤波。超级电容器用于整流滤波现以90mF/12V的超级电容器为例,其相关参数为额定电压12V,额定电容量90mF、ESR90mΩ、体积48×30×6.1mm,温度范围-40℃~+70℃。用超级电容器作为整流滤波电容器与一般的整流滤波电路一样,超级电容器用于整流滤波的电路和输出电流、流过滤波电容器的电流波形如图2,只不过滤波电容器换成了超级电容器。以前,由于超级电容器的额定电压很低(仅2.7V),需要数只超级电容器串联。对于9V输出的稳压电源(考虑市电电压的变化,整流输出电压约为10~12V),但现在只采用一只90mF/12V bestcap?超级电容器就可以实现9V输出的稳压电源的滤波。测试结果对比通过对采用两只插脚式16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的整流滤波电路。在整流输出电压平均值为9V,负载电流2.2A时的整流输出纹波电压如图3,所使用的示波器为F105B数字示波表,选择A通道,AC耦合,时基5mS/div(每格5mS),通道设置100mV/div(每格100mV)。从图中可以看到纹波电压的峰峰值(ΔY)为412mV,充电与放电(电压波形的上升与下降)时间基本相同。通过工频变压器降压后的整流电路,由于工频变压器的漏感作用(抑制电流变化),使滤波电容器几乎工作在或者是充电、或者是放电的状态,与市电直接整流的状态不同。测试结果表明整流输出滤波电容器选择10000μF/A(每安培输出电流用1万微法)的滤波电容时,输出电压的纹波电压的峰峰值约为 510mV,与理论分析结果的600mV/A很接近。因此,对于低压整流滤波电路,为了获得低纹波电压将不得不采用非常大的滤波电容器,不仅体积大而且价格很高。现在采用一只AVX公司生产的90m 本文将超级电容器用于整流滤波,并进行设计和具体实现,测试证明,超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。滤波电容器在整流滤波电路中起着重要作用,电容量越大滤波效果越好。特别是在低压整流(如5V、3.3V甚至更低的电压)输出时往往因为滤波电容器的电容量不够大而产生较大的纹波电压。通过测试表明,整流滤波电路输出1A电流时,分别采用 1000、2200、3300、4700和10000微法的滤波电容器,纹波电压的峰峰值分别为:6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V。如果采用更大的滤波电容器,滤波效果将会更好。问题是大容量电容器体积大。怎样解决这个问题呢?人们立刻想到能否将超级电容器用于整流滤波,本文将通过理论分析和试验给予详尽的分析和试验结果。整流滤波对于电容器的基本要求在开关电源中,输出整流滤波对于电容器而言有四点基本要求,它们分别是:有足够的电容量、符合要求的额定电压、符合要求的ESR(等效串联电阻)和可以承受相应的纹波电流值。只有同时满足这四点基本要求,超级电容器才可以用于开关电源的输出整流滤波。超级电容器作为整流滤波电容器的可能性对于超级电容器而言,它可以轻而易举的达到法拉级电容量,故超级电容器是有足够的电容量作为整流滤波。以前超级电容器的额定电压比较低,虽然可以通过多只串联的方式解决,但是多只串联后将导致ESR的增大,从而增加了ESR的问题。而超级电容器不能用于输出端的整流滤波的主要原因是:在开关电源的输出端整流滤波时,要求滤波电容器有尽可能低的ESR,而以前的超级电容器多只串联后的ESR 很大,这使得超级电容器在用于输出整流滤波时会发热。例如:5个4.7F的超级电容器串联使用时,其ESR大约为300mΩ,这时,若在超级电容器上流过 2A输出电流时,功率为1.2W,这个功率将导致超级电容器严重发热。不过现在的超级电容器已经达到了很高的水平,例如AVX公司生产了一系列 bestcap?超级电容器,它同时具有高额定电压与低ESR的特点,如:一只90mF/12V的bestcap?超级电容器的ESR约为90mΩ,这与 300mΩ相比小很多。可见,bestcap?超级电容器的ESR远低于以前的超级电容器,从而可以同时解决额定电压与ESR的问题;余下的问题就是能否通过相应的纹波电流是否符合要求。选择适合的电容量时(例如选择每安培负载电流1000~10000μF),铝电解电容器基本上不存在不能承受纹波电流,而且其ESR比较低,所产生的效应基本上对铝电解电容器几乎没有影响。bestcap?超级电容器的ESR与铝电解电容器的差不多,而且其具有非常的好阻抗频率特性,故bestcap?超级电容器可以承受相应的纹波电流值。图1为bestcap?超级电容器的阻抗频率特性图。由此可见,bestcap?超级电容器适用于输出整流滤波。超级电容器用于整流滤波现以90mF/12V的超级电容器为例,其相关参数为额定电压12V,额定电容量90mF、ESR90mΩ、体积48×30×6.1mm,温度范围-40℃~+70℃。用超级电容器作为整流滤波电容器与一般的整流滤波电路一样,超级电容器用于整流滤波的电路和输出电流、流过滤波电容器的电流波形如图2,只不过滤波电容器换成了超级电容器。以前,由于超级电容器的额定电压很低(仅2.7V),需要数只超级电容器串联。对于9V输出的稳压电源(考虑市电电压的变化,整流输出电压约为10~12V),但现在只采用一只90mF/12V bestcap?超级电容器就可以实现9V输出的稳压电源的滤波。测试结果对比通过对采用两只插脚式16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的整流滤波电路。在整流输出电压平均值为9V,负载电流2.2A时的整流输出纹波电压如图3,所使用的示波器为F105B数字示波表,选择A通道,AC耦合,时基5mS/div(每格5mS),通道设置100mV/div(每格100mV)。从图中可以看到纹波电压的峰峰值(ΔY)为412mV,充电与放电(电压波形的上升与下降)时间基本相同。通过工频变压器降压后的整流电路,由于工频变压器的漏感作用(抑制电流变化),使滤波电容器几乎工作在或者是充电、或者是放电的状态,与市电直接整流的状态不同。测试结果表明整流输出滤波电容器选择10000μF/A(每安培输出电流用1万微法)的滤波电容时,输出电压的纹波电压的峰峰值约为 510mV,与理论分析结果的600mV/A很接近。因此,对于低压整流滤波电路,为了获得低纹波电压将不得不采用非常大的滤波电容器,不仅体积大而且价格很高。现在采用一只AVX公司生产的90m F/12V bestcap?超级电容器作为整流滤波电容器,在与上面的例子相同的测试条件下,测得输出电压的纹波电压峰峰值为312mV,如图4所示。从纹波电压峰峰值可以看出一只90mF /12V bestcap?超级电容器作为滤波电容器的纹波电压峰峰值比两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的纹波电压峰峰值少 100mV,即采用一只90mF /12V bestcap?超级电容器作为滤波电容器比采用两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的滤波效果好。超级电容器作为整流滤波的效果并不像理想电容器那样使输出电压接近一条直线,而是有一些波动,原因是超级电容器有相对一般电容器大的ESR。一只90mF/12V bestcap?超级电容器的ESR约为90mΩ,滤波电容器上的充、放电的电流差约为输出电流平均值的2倍,因而在输出端出现约310mV的由于ESR 的电压波动,即使如此,还是可以得到很低的纹波电压。由此可见,一只90mF/12V bestcap?超级电容器的滤波效果相当于一只56000μF电解电容器。同时由上述的参数可知,超级电容器的体积比铝电解电容器的体积小很多,故在低压整流滤波的应用中超级电容器将具有很大的性能优势、价格优势和体积优势。通过上述两个实验结果的对比可知,bestcap?超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波,而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比,具有其很大的优势。同时bestcap?超级电容器具有额定电压高、ESR低、阻抗频率特性好的特点,在今后的研究中,可以通过实验进一步了解超级电容器新的特性和应用,扩展张超级电容器的应用领域。

    时间:2015-07-23 关键词: 而且 电源 超级电容器

  • 柔性超级电容器—可穿戴设备的未来

    近日,来自MIT的科研人员研发出一种基于纳米线打造的新型柔性超级电容器,它可以说是健身追踪器和其他可穿戴设备的新一代理想能源。 续航对于时下越来越流行的智能手表和健身追踪器来说尤为重要,但我们都知道,这些设备的个头一般不会很大,这也就意味着它们的电池容量不会太高。最好的办法就是使用小型超级电容器—它能够提供快速高功率电脉冲。MIT科研人员对多种材质展示了试验,最终他们发现,碳纳米管和石墨烯是当中表现最好的,这要得益于它们拥有比其他材料更大的表面积—更大的表面积意味着可以容纳下更多的离子,也就是更多的能量。 MIT选用了铌纳米线作为微型超级电容器的电极。据科研人员介绍,这种超级电容器拥有高达55W/cc的功率密度—为碳纳米管超级电容器的3.5倍。此外,这款电容器还具有体积小的优点。据悉,该电容器不需要任何的金属支持,这将能大大节省所需的空间。而其所使用的铌,则是自然界含量相对比较丰富的物质,所以它的造价也会比较便宜。 虽然目前这款超级电容器仅还局限于实验室内,但科研人员表示,接下来他们将会设计制造出适合量产的版本。

    时间:2015-07-16 关键词: 可穿戴设备 电源资讯 超级电容器

  • 55W/CC!MIT打造新型柔性超级电容器

    近日,来自MIT的科研人员研发出一种基于纳米线打造的新型柔性超级电容器,它可以说是健身追踪器和其他可穿戴设备的新一代理想能源。 续航对于时下越来越流行的智能手表和健身追踪器来说尤为重要,但我们都知道,这些设备的个头一般不会很大,这也就意味着它们的电池容量不会太高。最好的办法就是使用小型超级电容器——它能够提供快速高功率电脉冲。 MIT科研人员对多种材质展示了试验,最终他们发现,碳纳米管和石墨烯是当中表现最好的,这要得益于它们拥有比其他材料更大的表面积—更大的表面积意味着可以容纳下更多的离子,也就是更多的能量。 MIT选用了铌纳米线作为微型超级电容器的电极。据科研人员介绍,这种超级电容器拥有高达55W/cc的功率密度—为碳纳米管超级电容器的3.5倍。此外,这款电容器还具有体积小的优点。 据悉,该电容器不需要任何的金属支持,这将能大大节省所需的空间。而其所使用的铌,则是自然界含量相对比较丰富的物质,所以它的造价也会比较便宜。 虽然目前这款超级电容器仅还局限于实验室内,但科研人员表示,接下来他们将会设计制造出适合量产的版本。

    时间:2015-07-15 关键词: 电池技术 超级电容器

  • Linear 推出2A 降压-升压型超级电容器充电器 LTC3110

    Linear 推出2A 降压-升压型超级电容器充电器 LTC3110

    凌力尔特公司 (Linear Technology Corporation) 推出双向、输入电流可编程的降压-升压型超级电容器充电器 LTC3110,该器件具主动充电平衡,适合单或两节串联超级电容器。专有的低噪声降压-升压型拓扑使该器件相当于两个单独的开关稳压器,从而减小了尺寸和成本,并降低了复杂性。LTC3110 可于备份和充电两种模式工作。在备份模式,该器件由超级电容器储存的能量供电,保持 1.71V 至 5.25V 的系统电压 (VSYS)。此外,超级电容器存储输入 (VCAP) 具备实用的宽工作范围,可从 5.5V 直至 0.1V。这确保实际储存的全部超级电容器能量都能得到利用,因此延长了备份时间或减小了存储电容器尺寸。而在充电模式中,当主电源系统有效时,LTC3110 可自主地或通过用户命令将功率流动改为相反方向,利用稳定的系统电压给超级电容器充电并作出平衡。降压-升压型 PWM (脉冲宽度调制器) 使 VCAP 高效地充电至高于或低于 VSYS。该器件还具备充电模式平均输入电流限制,能够以 ±2% 的准确度设定至高达 2A,从而防止系统电源过载,同时最大限度缩短电容器再充电时间。   LTC3110 的主动充电平衡功能消除了消耗能量的外部镇流电阻器的恒定消耗,甚至在电容器失配时也可确保充电,并减少再充电频度。可编程的最大电容器电压调节可主动地平衡和限制串联电容器组中每个电容器两端的电压为设定值的一半,从而确保随电容器老化并逐渐出现容量失配时也能可靠工作。低 RDS(ON)、低栅极电荷同步开关提供了高效率转换,以最大限度缩短存储组件的充电时间。LTC3110 非常适合为备份电源应用中的大型电容器提供安全充电和保护,例如服务器和 RAID 系统、以及具电池 / 电容器备份的 RF 系统。 LTC3110 的输入电流限制和最大电容器电压可用电阻器编程。平均输入电流在 0.125A 至 2A 设定范围内得到准确控制。引脚可选的突发模式 (Burst Mode®) 工作提高了轻负载效率,并将备用电流降至仅为 40µA,以及将停机电流降至不到 1µA。LTC3110 的其他特点包括 1.2MHz 的高开关频率 (可最大限度地缩小外部组件尺寸)、热过载保护、两个用于方向控制和充电结束的电压监控器、以及一个具有集电极开路输出的通用比较器 (用于和微控制器或微处理器相连接)。 LTC3110 采用紧凑的耐热性能增强型 24 引线和 TSSOP 4mm x 4mm QFN 封装,两者均有 E 级和 I 级版本,可在 –40°C 至 125°C 温度范围内工作,而高可靠性 H 级版本的工作温度可高达 150°C。E 级版本器件的千片批购价为每片 4.45 美元。   照片说明:2A 双向降压-升压型超级电容器充电器 性能概要:LTC3110 ·VCAP 工作电压范围:0.1V 至 5.5V ·VSYS 工作电压范围:1.71V 至 5.25V ·从充电模式自动切换到备份模式 ·准确度达 ±2% 的可编程充电输入电流限制从 125mA 至 2A ·±1% 备份电压准确度 ·自动备份电容器平衡 ·固定 1.2MHz 开关频率 ·突发模式工作时 IQ 为 40μA ·额外提供具集电极开路输出的可编程多用途比较器 ·集电极开路输出指示工作方向和充电结束 ·扁平 TSSOP-24 和 4mm x 4mm QFN-24 封装

    时间:2015-06-17 关键词: 充电器 Linear 电源新品 超级电容器

  • 纤维素华丽变身 成为超级电容器的构件

    一个基本的化学发现将很快使树木在高科技储能装置中发挥出重要作用。美国俄勒冈州I立大学的研究人员发现,通过简单的化学方法可把地球上最丰富的有机聚合物、树的一个关键组成部分——纤维素,转变成超级电容器的构件。该研究结果刊登在最新一期的《纳米快报》上。 超级电容器是具有非凡的高功率的能量设备,在工业领域从电子产品到汽车和航空业应用广泛。而高成本却一直是阻碍其推广使用和生产出高品质碳电极的拦路虎。 俄勒冈州立大学开发的新方法可以低成本、快速及环保地生产掺杂氮的纳米多孔碳膜超级电容器电极。唯一的副产物甲烷可以用作燃料。 这项研究的首席作者、该大学化学助理教授纪秀磊(音译)说:“这个简单、快速和具有潜力的工艺是非常激动人心的。这是首次证明可以用氨与纤维素反应,创建出这些掺杂氮的纳米多孔碳膜。令人惊讶的是,这一基本的化学反应在之前并未报道过。我们将把便宜的木材变成有价值的高科技产品。” 据报道,这些纳米尺度的碳膜相当薄,1克表面积可达近2000平方米,而这正是使其在超级电容器里起到作用的部分。新的工艺操作既快又便宜,像纤维素滤纸一样简单,从概念上类似于咖啡壶的一次性纸过滤器。在高温和氨气下,将纤维素转换为所需超级电容器的纳米多孔碳材料,并能够大规模廉价生产。 这种材料制造出的超级电容器是一种能量存储装置,要比电池充电快速得多,并具有更大的功率。它们大多被用在各种类型的需要快速蓄电并且可释放强大能量的设备当中。超级电容器可以在计算机和消费电子产品如闪光灯、数码相机中使用;在重工业,可以给从起重机到铲车的任何一个设备供电;还可以捕获其他可能会被浪费掉的能量,例如制动系统的操作。而其能量存储能力可以启动除颤器、打开飞机上的紧急滑梯、大大提高混合动力电动汽车的效率。此外,纳米多孔碳材料还可用于吸附气体污染物、环保过滤器和水处理等。 研究人员说:“世界各地的超级电容器有许多应用,但现在该领域的发展大大受到成本制约。如果我们采用这种快速、简单的工艺制造储能设备器件,未来将会有巨大的获益。”

    时间:2015-04-09 关键词: 电源资讯 超级电容器

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