电容器在新能源产业中的应用要求及解决方案(长沙)

JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors1电容器在新能源产业中的应用要求及解决方案江海电容器股份有限公司丁继华JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors2一、新能源领域说明二、电容器在新能源领域的应用三、新能源对电容器的应用要求和解决方案1、铝电解2、薄膜3、超级电容器四、总结JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors31、新能源新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。目前大家关注的新能源主要是指风能、太阳能。在太阳能发电、风能发电电源管理系统中，高电压、大容值的电容器有很大的产品需求；作为储能器件的超级电容器也有广阔的应用前景。关于新能源的说明JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors42、新能源汽车领域新能源汽车是指采用非常规车用燃料作为动力来源(或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车(BEV,包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器)汽车等。作为动力电池的管理系统，除对各种电池组电源管理外，还要对于电源的输出进行管理，包括汽车控制辅助单元电源的管理，有些系统设计还要考虑上下坡能量的补偿和吸收等等，这就需要使用超级电容器；在混合动力系统中，作为能量的补偿和吸收的方案，对于超大容量的超级电容器也有着很大的需求。关于新能源的说明JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors5性能比较：薄膜vs.铝电解特性铝电解薄膜电容器封装形式圆柱形任意形状频率特性较差很好温度特性差很好高电压昀高750V800V以上高容量大容量较小损耗大≤0.2%耐电流能力一般很好（50~100A）寿命昀长20000小时10万小时价格低较高极性有无电容器在新能源领域的应用JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors6电容器在新能源领域的应用•循环使用寿命长（约10万次）；化学电池的循环使用寿命短（200～1000次），易损坏。•充电速度快（0.3s～15min）；化学电池的充电时间长，一般要3～l0h；充放电效率高（98％）；化学电池的充放电效率低（70％）。•功率密度高（1000～I0000W／Kg）；化学电池功率密度低（300W／Kg）。•超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽（一40～+70℃），容量变化小；铅酸电池电动车在0℃时，续驶里程减少90％，而超级电容器只减少10％。•在电动大客车刹车再生能量回收效率高，常规制动时回收高达70％，化学电池能量回收效率仅为5％。•相对成本低。超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高大约100倍，所以超级电容器电动车的综合运营成本大大低于化学电池电动车。•超级电容器能量密度低•超级电容器组合使用时电压均衡管理线路性能比较：超级电容器vs.电池JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors7风电光伏新能源汽车铝电解控制系统DC-LINK控制系统DC-LINK各电气控制系统DC-LINK薄膜电容器突波吸收DC-LINK突波吸收DC-LINKDC-LINK超级电容器能源管理系统能源管理系统能源管理系统电容器在新能源领域的应用几种电容不同的应用JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors8铝电解电容器1、对于1.5MW以下的风电变流器，出于体积与成本的考虑，客户一般都选择铝电解电容器；2、对铝电解的要求：耐瞬间过电压、耐大纹波电流；长寿命等；薄膜电容器1、对于2MW以上的的风电变流器，由于设备免维护的要求很高，客户一般都选择铝电解电容器；2、对薄膜电容器的要求：工作电压高、耐大纹波、耐过电压、耐反向电压、耐瞬间冲击电流、长寿命等；超级电容器1、应用于变桨系统的后备电源、开关设备的开闸电源、电网储能系统、为电网提供功率支撑等；2、对超级电容器的要求：充放电速度快、内阻小、尽可能大的能量密度等；电容器在新能源领域的应用（风电）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors9铝电解电容器1、对于中下功率光伏逆变器，一般选择铝电解电容器；尤其是家庭用小功率、离网式光伏逆变器；2、对铝电解电容器的要求：高电压（450-550V）；耐大纹波；耐充放电；长寿命等薄膜电容器1、用于光伏电站或其他高功率等级的光伏逆变器，通常选择薄膜电容器；2、对薄膜电容器的要求：工作电压高、耐大纹波、耐过电压、耐反向电压、耐瞬间冲击电流、长寿命等；超级电容器1、用于电网储能系统、为电网提供功率支撑等；2、对超级电容器的要求：充放电速度快、内阻小、尽可能大的能量密度等；电容器在新能源领域的应用（光伏）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors10铝电解电容器1、部分新能源汽车逆变系统使用铝电解（丰田PURIS一代使用铝电解）；2、对铝电解的要求：耐振动、耐大纹波电流；长寿命等；薄膜电容器1、逆变系统使用铝电解（丰田PURIS二代以后使用薄膜）；轨道交通逆变系统使用薄膜（箱式）；2、对薄膜电容器的要求：耐振动、耐大纹波、耐过电压、耐反向电压、耐瞬间冲击电流、长寿命等；超级电容器1、为新能源汽车提供瞬时能量、在汽车刹车、下坡等情况下储存能量。电动汽车采用蓄电池组作储能动力源，给电机驱动系统提供电能，驱动电动机，推动车轮前进；在混合动力汽车与蓄电池配合使用，减少了对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性。2、对超级电容器的要求：充放电速度快、内阻小、尽可能大的能量密度等；电容器在新能源领域的应用（新能源汽车）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors11新能源对电容器的应用要求和解决方案（电解）耐充放电要求实际案例：电容器鼓气、击穿失效原理•放电时阴极箔上产生的界面电压•从上式可以看出，当正极箔和负极箔的比容相差越大，产生的反向电压就越小。：负极箔的比容：正极箔的比容：充电电压电压：负极箔上产生的反向其中，-1212CCvvCCCvva新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors12失效模式应对策略1、负极贴箔、贴纸2、加压负极3、工艺优化4、其他材料选择：正极箔、电解纸、电解液传统铆接模式负极贴箔新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）客户要求耐充放电要求JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors13毛虫状水合膜铝箔残芯耐大纹波要求无固定剂结构高性能阳极氧化膜双正双负（叠层式）结构正极正极负极负极新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）新新3000倍JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors14CHEMICON：FTP系列NICHICON：LDP系列CHEMICON：UTRO散热原理耐大纹波要求（日系同行产品）新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors15小型化要求双阳极产品结构其他方面的改进•1、提高卷绕精度，减小留边量；•2、控制毛刺，降低电解纸的厚度；•3、铆接方式和盖板尺寸的改进；•4、提高铝箔比容；•5、提高电解液性能。阳极采用双层铝箔设计新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors16防污染、耐腐蚀要求新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors17耐振动要求新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）中间束腰产品（江海）中间压扁产品（NCC）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors18高压化技术江海650V产品新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors19标准模组将江海电容器（CAPACITOR）与INFINEON、SEMIKRON、METHODE等公司的产品如IGBT、BUSBAR等组合起来，做成标准模组，提供给客户。新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors20电动汽车逆变器铝电解电容器薄膜电容器新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解薄膜）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors21薄膜加电解解决方案（参考）新能源对电容器的应用要求和应对措施（电解+薄膜）利用铝电解电容器的容量优势、薄膜电容器的耐纹波优势，组合使用。同样的寿命设计年限对比新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors22高可靠要求高方阻HE加宽安全膜结构波浪分切DC‐LINK高方阻结构薄膜电容器新能源对电容器的应用要求和应对措施（薄膜）T-型安全膜网格状安全膜波浪分切新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors23•任意形状：圆形、方形、箱式等新能源对电容器的应用要求和应对措施（薄膜）薄膜电容器JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors24传统超级电容器（略）锂离子超级电容器1、原理锂离子超级电容器是将锂离子电池的电极材料作为超级电容器负极材料，锂盐溶液作为电解质，并结构优化而形成的新型储能器件；它将超级电容器双电层物理储能工作原理与锂离子电池嵌入脱嵌化学储能工作原理有机结合，实现了超级电容器与锂离子电池的优势互补。2、特性功率密度和能量密度高、循环寿命长、充放电效率高、安全性好等优点。3、技术参数见下页新能源对电容器的应用要求和应对措施（超级电容器）新JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors25＋－＋－＋－＋－＋－＋－－＋＋＋－－－－＋＋＋－－－－－－－＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋EDLCLIBe-++++e-e-e-充電放電LIC－－－－－－＋－＋－＋－＋石墨结构及原理结构及原理・物理現象(充放电次数）50万次・化学反应(充放电次数）1000~2000・物理現象（正极）化学反应（负极）(充放电次数）50万次活性炭活性炭活性炭石墨Li金属氧化物新能源对电容器的应用要求和应对措施（超级电容器）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors26LIC与其他储能器件的对比EDLCLICLIB正极材料活性炭活性炭LiCoO2/LiMnO4负极材料活性炭石墨/硬炭石墨电解液有机溶剂有机溶剂有机溶剂储电原理离子吸附脱附正极：等同于EDLC负极：Li离子反应Li离子反应温度范围-25~70℃-30~60℃（80℃）-25~60℃昀大工作电压2.3~2.7V3.8~4.0V3.7~4.2V昀大放电倍率～1,000C～1,000C～50C大出力特性◎◎△充放电次数◎（50万回以上）◎（50万回以上）△（1000~2000回）自放电×◎◎安全性◎◎△能量密度△（2~5WH/Kg）○（10~30WH/Kg）◎（~150WH/Kg）新能源对电容器的应用要求和应对措施（超级电容器）JianghaiCopyright@2013JianghaiCapacitors27LIC单体产品项目标准品开发品A5000A2000B1000A3000（低阻抗）A2000L温度