超级电容直流储能系统

第一章前言1.1课题背景1.1.1超级电容直流储能系统的发展概况由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门地国家管理机构（如：美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。就超级电容器技术水平而言，目前俄罗斯走在世界前面，其产品已经进行商业化生产和应用，并被第17届国际电动车年会（EVS—17）评为最先进产品，日本、德国、英国、法国、澳大利亚等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛。在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题。目前，国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。1.2超级电容在国内外相关技术发展现状1.2.1国外超级电容的生产及发展状况目前,在超级电容产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容市场。这些国家的超级电容产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。1.2.2国内超级电容的研究现状1.2.3超级电容的应用研究现状1.2.3.1超级电容做混合型电动机车的启动或加速用辅助电源目前，大部分内燃机车、混合动力汽车、电动汽车、车辆低温启动、轨道车辆能量回收、航天航空、电动叉车、起重机1.2.3.2超级电容是方便可靠的储能设备超级电容放电速度快、体积小、重量轻，可以为众多电子产品和存储器提供电源或后备电源，同时又可以提供大功率的脉冲电流，可以满足通讯设备对电源的要求。手电筒、直流屏储能系统、应急照明灯储能系统1.2.3.3超级电容在电力系统中的应用超级电容在电力系统中的应用主要有以下两个方面：(1)提高供电质量在电力变配电所系统中，变配电设备主要是由直流电源装置直流屏来提供直流电源的。(2)UPS系统和应急电源为了解决工厂车间因为停电而带来的经济损失，通常的储能设备是用UPS系统。1.3.3.4超级电容在军用领域有重要用途卫星等空间飞行器的电源大多是:(1)调节飞行器配电系统的电压电动飞行器配电系统直流线电压是270V，它是由一个400Hz的交流电整流得到的，美国军用标准规定电压波动范围是250V－280V。(2)提供军用重型车的动力美国军方对超级电容用于重型卡车、装甲运兵车以及坦克很感兴趣[1]。(3)提供激光设备的电源激光探测器和激光武器需要大功率脉冲电源，超级电容1.3.4超级电容在应用中需要解决的问题(1)超级电容放电时端电压的衰减问题当超级电容作为直流电源输出给负载时，由于电容的电荷减少，所以其电压也在下降。……(2)超级电容器串并联模组的体积优化组合单体超级电容的耐压比较小，在高压应用中需要许多电容的串联，但是多个电容串联的同时等效串联内阻也要增大，所以……(3)超级电容串联均压和过压保护问题由于单体电容器的容量有差异，所以串联使用时电压分配不平衡。解决这个问题最简单的方法是……(4)与蓄电池组合使用的计算方法一般来说……超级电容实际电参数模型的建立第二章：超级电器2.1超级电容器原理：又叫双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、电化学电容器(ElectrochemcialCapacitor,EC),黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。双电层电容器与铝电解电容相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。2.2超级电容的工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。2.3超级电容的技术原理超级电容器属于双电层电容器，是世界上容量最大的双层电容器之一。其工作原理与其它种类的双电层电容一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构来获得超大的容量。传统物理电容的储电原理是电荷在两块极板上被介质隔离，两块极板之间为真空或一层介电物质所隔离。超级电容结构原理如图1所示，电容值为？？？？？？。其中A为极板面积，d为介质厚度，所储存的能量为E=0.5C(OV)平方图1超级电容结构原理图（看网页）2.2超级电容器的特点和优势表1超级电容的特点①体积小、容量大、电容量比同体积电解电容容量大30~40倍，容量范围：0.1F~1000F；②.充、放电电路简单，无需蓄电池那样的充电电路，阵阵免维护；③充、放电能力强，且充电速度快，10秒内达到额定容量的95%；④失效开路，过电压不击穿，安全可靠；⑤超长寿命，可长达40万小时以上；⑥单体电压类型：2.5V~2.7V;表2与传统电容比较①电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大；②传统电容是从平板2.3超级电容的特性2.3.1工作特性超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。传统电容器的面积是导体的平板面积，为了获得较大的容量，导体材料卷制得很长，有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板，一般为塑料薄膜、纸等，这些材料通常要求尽可能的薄。超级电容器的面积是基于多孔炭材料，该材料的多孔结够允许其面积达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离（10Å）和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。2.3.2技术特性超级电容器的技术特性1.充电速度快，充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上；超级电容器的技术特性2.循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次；超级电容器的技术特性3.能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；超级电容器的技术特性4.功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；超级电容器的技术特性5.产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；超级电容器的技术特性6.安全系数高，长期使用免维护；超级电容器的技术特性7.超低温特性好，可工作于摄氏零下30℃的环境中；超级电容器的技术特性8.检测方便，剩余电量可直接读出。2.4超级电容的主要性能参数超级电容的主要性能参数决定于电容器电极、电解液的材质和制造工艺。超级电容的性能参数主要有：电容容量：超级电容能够存储电荷的最大容量。等效串联内阻ESR（EquivalentSeriesResistance）：当超级电容模拟成电阻、电容、电感的等效模拟电路时，其中串联部分的电阻就是等效串联内阻。理想存储能量：电容器存储能量的理想值。对于一个最简单的电化学电容器，其理想存储能量可以通过式(2－1)来计算。E=212wCU(2-1)式中C——电容器的容量；wU——电容器的工作电压最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输出功率，计算公式为式（2－2）所示。P=204UESR(2-2)式中20U——电容器的初始电压；ESR——电容器的等效串联内阻2.5超级电容等效串联内阻（ESR）的测量2.5.1超级电容的等效模型超级电容的等效模型如下图2-1所示。ESREPRCL图2-1超级电容的等效模型2.5.2测量超级电容ESR的方法2.5.2.1利用电压跃变计算ESR由于电容ESR的影响，电容在充、放电(1)放电电压跃变法这种方法的原理图如图2-2所示。图2-2中，输出端子a接至Trr0DK1K2CRcabR1图2-2测量ESR的实验电路(2)充电电压跃变法此方法的实验原理如图2-3所示。图2-3测量ESR的实验电路由公式(2-5)计算出等效串联电阻ESR[20]。00/()ESRRUUU(2-5)式中U0——开始充电瞬间电容器两端电压，该电压可由函数记录仪记录的充电曲线得到2.52.2利用恒流充电计算ESR利用恒流充电计算ESR的方法按照……特点2.5.2.3时间常数法计算ESR此方法的实验原理如图2-6所示……图2-6测量ESR的实验电路2.5.2.4基于一阶滤波器的ESR计算方法用超级电容和电阻组成一阶滤波器电路如图2-7所示，仿真电路原理图如图2-8所示。RR0C0UR1KUURC恒压电源函数记录仪R1UiRUoCESR图2-7一阶滤波器的等效电路图2-8ESR仿真原理图2.6超级电容放电实验和漏电流的估算2.6.1实验过程及结果分析用一个+5V直流电压源对600F/2.7V，300F/2.7V、50F/2.7V的三个超级行充电，……可以得到600F、50F、300F超级电容的等效并联电阻分别如表2-3、表2-4、表2-5所示。表2-3600F的电容不同放电时段的等效并联电阻Table2-3EPRof600Fsupercapacitoratdifferenttime放电时间(h)0-1010-2020-3034-4560-80120-140等效并联电阻(Ω)130347366428451658图2-12三个不同容量的超级电容放电曲线比较表2-4