超級電容充電方法研究綜述

超級電容充電方法綜述1課題背景及意義1.1課題研究背景 當(dāng)今社會，電能在人們的生產(chǎn)生活中扮演者越來越重要的角色。電能的儲存技術(shù)作為電能應(yīng)用的一個方面，給人們帶來了各種便利。然而，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，人們對電能的質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的儲能技術(shù)越來越體現(xiàn)出局限性，蓄電池儲能，超導(dǎo)磁能，飛輪儲能，等等。無法為現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展提供完善的電力保障。新的儲能技術(shù)呼之欲出。 20世紀(jì)70年代，超級電容器問世，它是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲能元件，其電容量極大，可達(dá)幾百至數(shù)千法拉，因此其功率密度高于普通電池，不僅適合于做短時間的功率輸出源，而且還可以利用其比能量大，比功率高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)，交通領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)，此外，超級電容還具有充電時間短，可靠性高，使用壽命長（充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)十萬次以上，且不用維護(hù)），工作溫度范圍大，充放電效率高和對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。近年來隨著碳納米技術(shù)的發(fā)展，超級電容的制造成本不斷降低，而其功率密度和能量密度卻不斷提高，這些都將進(jìn)一步拓展并加快超級電容器在新型電力儲能方面的應(yīng)用。1.2超級電容器的發(fā)展?fàn)顩r1879年德國人赫姆霍茲（Helmholtz）發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的雙電層電容性質(zhì)，1957年美國人Becker申請了第一個由高比表面積活性炭作電極材料的電化學(xué)電容器方面的專利，1962年標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料,以硫酸水溶液作為電解質(zhì)的超級電容器,。1969年該公司首先實(shí)現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化，1979年日本NEC公司開始生產(chǎn)超級電容器(SuperCapacitor)，開始了電化學(xué)電容器的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用;隨著材料與工藝關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷得到穩(wěn)定和提升,到了九十年代末開始進(jìn)人大容量高功率型超級電容器的全面產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時期。在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上,最早是1980年NEC/Tokin與1987年松下三菱的產(chǎn)品。到20世紀(jì)90年代,，Econd和ELIT推出了適合于大功率啟動動力場合的電化學(xué)電容器.如今,，Panasonic、NEC、EPCOS、Maxwell、Powerstor、Evans、SAFT、Cap-xx、NESS等公司在超級電容器方面的研究均非常活躍。目前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，各個國家的超級電容量器產(chǎn)品在功率、容量、價格等方面都自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。與國外相比，我國超級電容的研究起步晚。但最近幾年，國內(nèi)的一些科研院所，如清華大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、有色金屬研究總院、中科院電工所、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位都開展了對超級電容器的材料、制造工藝、特殊應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。目前，研制超級電容的企業(yè)有天津力神公司、上海奧威科技開發(fā)公司、北京集星聯(lián)合電子科技有限公司等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在第一代電容車基礎(chǔ)上，研制出充電15min便能連續(xù)行駛25km，最高時速可達(dá)52km/h的電容車，已達(dá)到了國際先進(jìn)水平；在2011年9月1日我國高能鎳碳超級電容器在天津研制成功，取得了我國純電動車動力電源研究的重大突破。這種新型結(jié)構(gòu)的高能鎳碳超級電容器由中國工程院周國泰院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)歷時3年刻苦攻關(guān)成功開發(fā)的。經(jīng)檢測試用顯示，在實(shí)現(xiàn)加大材料的比表面積和正負(fù)極的材料結(jié)構(gòu)的重大技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，該種超級電容器有效解決了國內(nèi)電動汽車電源技術(shù)瓶頸問題，一經(jīng)推廣，將大大緩解由汽車尾氣造成的城市大氣污染，降低綜合運(yùn)營成本。經(jīng)專家鑒定，該技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先水平，取得了純電動車動力電源領(lǐng)域的重大突破。1.3超級電容器的應(yīng)用現(xiàn)狀超級電容器在儲能領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛：可以改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、改善電動汽車功率輸出和能量回饋的性能、加速UPS的啟動等。其中，在電動汽車儲能單元中的應(yīng)用尤為廣泛并日漸成熟。近年來，由于能源問題和環(huán)境保護(hù)的要求，世界上對電動汽車和混合動力汽車的需求越來越緊迫，電動汽車的關(guān)鍵部分是蓄電池，但蓄電池的峰值功率特性無法滿足汽車在啟動、加速和爬坡等特殊情況下對功率的需求。超級電容器在電動汽車中與蓄電池并聯(lián)作輔助電源上的應(yīng)用，可以彌補(bǔ)蓄電池在功率特性方面的不足。鑒于此，早在1994年美國能源部就對商業(yè)化超級電容器的性能指標(biāo)提出了具體要求：能量密度和功率密度要分別大于5Wh/Kg和1000W/Kg。1996年，為了滿足電動汽車的要求，歐共體制定了電動汽車用超級電容器儲能發(fā)展計(jì)劃。日本的本田FCX燃料電池-超級電容器混合動力汽車是世界上最早實(shí)現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，2002年該車在日本和美國的加州同時上市。俄羅斯的Eltran公司，美國的NASALevis研究中心也在超級電容器混合動力汽車應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展。在國內(nèi)，國家“十五”規(guī)劃863計(jì)劃電動汽車重大專項(xiàng)也對電動車用超級電容器提出了功率密度要大于1000W/Kg的標(biāo)準(zhǔn)和充放電壽命大于5萬次的要求。2004年7月，首部“超級電容蓄能變頻驅(qū)動式無軌電車”在上海投入試運(yùn)行。由此看來，超級電容器儲能單元的實(shí)用化在推動電動汽車的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中起到了舉足輕重的作用。1.4超級電容存在問題及研究意義 超級電容的單體工作電壓不高，大多在1V~4V之間，實(shí)際應(yīng)用中常需要將若干單體電容器串聯(lián)使用。串聯(lián)時由于各單體電容器參數(shù)（如電容量、等效串聯(lián)電阻ESR、漏電流等）存在差異，大電流充電過程中易造成各單體電容兩端電壓不均衡，導(dǎo)致部分電容過充，影響電容器的壽命及整體電路的可靠性。盡管超級電容器在應(yīng)用初期這些參數(shù)的差異對電壓均分影響較小，但在其使用的中后期，隨著參數(shù)的離散性變大，對超級電容器電壓均分的影響也會越來越大，最終導(dǎo)致超級電容器壽命的急劇短縮?？梢姡诖?lián)超級電容器組充電過程中采取電壓均衡策略是很有必要的。2超級電容器的分類 超級電容器的種類較多，按不同的方式可以分為多種產(chǎn)品，按原理分可大致分為雙電層型超級電容器，贗電容型超級電容器，混合型超級電容器。 雙電層型超級電容器由高表面碳電極在水溶液電解質(zhì)（如硫酸等）或有機(jī)電解質(zhì)溶液中形成的雙電層電容。雙電層是在電極材料（包括其空隙中）與電解質(zhì)交界面兩側(cè)形成的，雙電層電容量的大小取決于雙電層上分離電荷的數(shù)量，因此電極材料和電解質(zhì)對電容量的影響最大。一般都采用多孔高表面積碳作為雙層電容器電極材料，其比表面積可達(dá)1000－3000/g，比容量可達(dá)280F/g。贗電容型超級電容器由電極表面上或者體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上發(fā)生活性材料的欠電位沉積，形成高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生和電極充電電位有關(guān)的電容，又稱法拉第準(zhǔn)電容；典型的贗電容器是由金屬氧化物，如氧化釕構(gòu)成的，其比電容高達(dá)760F/g。但由于氧化釕太貴，現(xiàn)已開始采用氧化鈷、氧化鎳和二氧化錳來取代；混合型超級電容器由半個形成雙層電容的碳電極與半個導(dǎo)電聚合物或其他無機(jī)化合物的表面反應(yīng)或電極嵌入反應(yīng)電極等構(gòu)成。目前在水溶液電解質(zhì)體系中，已有碳、氧化鎳混合電容器產(chǎn)品，同時正在發(fā)展有機(jī)電解質(zhì)體系的碳（鋰離子嵌入反應(yīng)碳材料）碳、二氧化錳等混合電容器。此外按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)超級電容器和有機(jī)電解質(zhì)超級電容器。按電容器采用的電極材料分類，又可分為碳基型、氧化物型和導(dǎo)電聚合物型超級電容器。3超級電容器的特點(diǎn) 超級電容器作為一種新的儲能元件，具有如下特點(diǎn)：超高電容量（0.1~50000F），比同體積鉭、鋁電解電容器電容量的2000~50000倍。漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長。功率密度高，可以作為功率輔助器，供給大電流。充放電效率高，具有超長自身壽命和循環(huán)壽命，即使幾年不用仍可保留原有的性能指標(biāo)，充放電次數(shù)大于10萬次。對于過充放電有一定的承受能力，短時過電壓不會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，能反復(fù)的穩(wěn)定充電。溫度范圍寬，-40℃～70℃，一般電池是-20℃～＋604超級電容器的充電特性4.1常用的充電儲能方式 與電化學(xué)電源不同，超級電容在循環(huán)使用過程中老化影響非常小，同時超級電容充電儲能沒有記憶效應(yīng)，這樣超級電容器在理論上可以無限次的進(jìn)行充放電；此外超級電容器儲存的電荷及儲存量可以通過檢測電壓值的方式來近似確定，判斷充電儲能過程是否結(jié)束非常方便?；谝陨线@些特點(diǎn)，超級電容器充電控制既可以借鑒蓄電池等電化學(xué)儲能器件的充電儲能方式，同時又由于其具有優(yōu)越的大物理電容特性，對大脈動電流具有較好的吸收能力，能夠簡化充電控制要求，目前常用的超級電容器充電儲能方式簡介如下：恒流充電 恒流充電的主要特點(diǎn)是具有較大的適應(yīng)性，可以任意選擇充電電流。對超級電容器進(jìn)行恒流充電，可以看到超級電容器的端電壓隨時間按直線規(guī)律升高。由于超級電容器的充電電流選擇范圍較大，因此可結(jié)合不同應(yīng)用需求以及超級電容器自身狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制。 恒流充電的變型是分段恒流充電，即在充電初期設(shè)置較大的充電電流，而后及時根據(jù)監(jiān)測到的端電壓值來變更減少充電電流設(shè)定值，此方法也稱為遞減電流充電法。浮充充電 類似于化學(xué)電源，超級電容在靜止保持態(tài)時，以漏電流的形式自放電，特別是使用有機(jī)電解液的超級電容器的自放電效率要大一些。從電氣應(yīng)用角度可以認(rèn)為，超級電容器的等效并聯(lián)阻抗在靜止時會消耗一部分電能，同時瞬間小功率放電也會令超級電容損失一部分能量。因此，維持超級電容器備用存儲能量的最佳方法就是給超級電容不斷浮充充電，以備儲存能量的減少。超級電容器見解液的揮發(fā)或分解速度隨超級電容施加電壓的上升而增加，同時，超級電容器的使用壽命也隨工作電壓的上升而減小，因此在超級電容器的浮充充電儲能過程中要注意對電壓的監(jiān)測。 在浮充充電過程中，如果選擇的浮充電壓太低，就不能補(bǔ)償超級電容器的自放電損耗，則會造成超級電容器的充電出能量不足，使超級電容器有效儲能容量的不到充分利用。超級電容器浮充電壓也不能過高，否則會過多的增加能量損耗或因嚴(yán)重過充電壓超過超級電容器的額定電壓而縮短其壽命。因此，對于超級電容器來說要保證高可靠性的浮充充電，浮充電壓的選擇是很重要的。脈沖充電由于超級電容器具有可以瞬間快速吸收功率的特性，能過平滑高峰脈沖功率，表現(xiàn)出對超級電容器的良好脈沖特性。目前，在超級電容器與蓄電池配合使用構(gòu)成的混合儲能單元應(yīng)用中，就是利用超級電容器短時、高功率特性擴(kuò)大混合儲能單元的尖鋒功率范圍，延長蓄電池的使用壽命。當(dāng)超級電容器作為電動汽車的輔助動力源時，在再生制動過程中，通常以脈沖充電的方式吸收回饋能量進(jìn)行儲能。 在實(shí)驗(yàn)室為了認(rèn)識超級電容器的儲能特性，也進(jìn)行脈沖沖動實(shí)驗(yàn)，檢測內(nèi)部電荷在超級電容器中的分布，實(shí)測各種不同類型超級電容器的脈沖電荷吸收能力，以便進(jìn)一步改善超級電容器的性能。組合充電 為了充分利用超級電容器的儲能特性，采用靈活的組合充電方式，在低壓時采用大電流恒流充電，隨著超級電容器端電壓的升高改變?yōu)檫f減恒流充電或恒壓限流等充電方式，直至超級電容器的最高額定電壓。 蓄電池的一些充電控制方法，如恒功率充電方式、電壓負(fù)增量控制方式、電壓二次導(dǎo)數(shù)控制等方式在超級電容器的充電儲能控制中也可以借鑒。5總結(jié) 經(jīng)過半個世紀(jì)的研究和探索，超級電容體系日益成熟。在面對我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展道路上亟待解決環(huán)境問題與能源問題大環(huán)境下，超級電容作為一種可開發(fā)的、綠色環(huán)保的、價格低廉的新型儲能元件，將逐步取代當(dāng)今對環(huán)境破壞巨大、浪費(fèi)資源的蓄電池，成為在汽車、航空、國防等領(lǐng)域的寵兒，發(fā)揮巨大的功用，為科技創(chuàng)新、社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。而對超級電容的充電方法的研究，能進(jìn)一步促進(jìn)超級電容應(yīng)用的廣泛性，實(shí)用性。 參考文獻(xiàn)[1]李亞寅，曲炳蔚.新型儲能裝置-超級電化學(xué)電容器應(yīng)用前景光明[J].中國電子商情:基礎(chǔ)電子,2005,12:61-64.[2]張慧妍,超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京:中國科學(xué)院電工研究所,2006.[3]李忠學(xué)，陳杰，超級電容器組件的電壓均衡控制電路設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料,2006，25(5):39-42.[4]陳永真，李錦.電容器手冊[M].北京:科學(xué)出版社，2008.[5]王東,超級電容器儲能