Das Arbeitsprinzip, Eigenschaften, Vor- und Nachteile von Superkondensatoren

Als neue Energiespeicherkomponente füllen Superkondensatoren die Lücke zwischen herkömmlichen elektrostatischen Kondensatoren und chemischen Stromversorgungen. In diesem Artikel werden das Prinzip, die Eigenschaften, die Vor- und Nachteile von Superkondensatoren vorgestellt, das Funktionsprinzip von Superkondensatoren in zusammengesetzten Elektrofahrzeugen analysiert und die Anwendungsforschung von Superkondensatoren in verschiedenen Bereichen im In- und Ausland zusammengefasst.

Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie widmen die Menschen der Anwendung von ökologischem Umweltschutz und grüner Energie immer mehr Aufmerksamkeit. Als neuartige Energiespeicherkomponente hat der Superkondensator die Aufmerksamkeit und Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen. Superkondensator ist ein neuartiger Energiespeicher, der zwischen der Batterie und dem in den 1970er und 1980er Jahren entwickelten traditionellen Kondensator entwickelt wurde. Sein Aussehen füllt die Lücke zwischen dem herkömmlichen elektrostatischen Kondensator und der chemischen Stromversorgung.

1. Prinzip und Klassifizierung des Superkondensators

Der Superkondensator ist eine physikalische Sekundärstromquelle mit Superleistungsspeicherfähigkeit, die eine starke pulsierende Leistung liefert. Superkondensatoren werden gemäß dem Energiespeichermechanismus [1] hauptsächlich in drei Typen eingeteilt: 1 ein elektrischer Doppelschichtkondensator, der durch Ladungstrennung an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoffelektrode und Elektrolyt erzeugt wird; 2 Verwenden von Metalloxid als Elektrode zur Oxidation eines Faraday-Kondensators auf der Elektrodenoberfläche und in der Hauptphase, der durch eine Reduktionsreaktion eine reversible Chemisorption erzeugt; und einen Kondensator, der unter Verwendung eines leitfähigen Polymers als Elektrode eine Redoxreaktion eingeht. Der Doppelschicht-Superkondensator ist ein neuartiger Energiespeicher, der polarisierten Elektrolyten zum Speichern elektrischer Energie verwendet. Die Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt:

Da das Laden und Entladen des elektrischen Doppelschichtkondensators ein rein physikalischer Vorgang ist, ist die Zykluszahl hoch und der Ladevorgang schnell, so dass er für die Anwendung in einem Elektrofahrzeug geeignet ist. Der elektrische Doppelschicht-Superkondensator besteht aus zwei inaktiven porösen Platten, die in einem Elektrolyten suspendiert sind, und die Spannung wird an die beiden Platten angelegt. Das an die positive Elektrodenplatte angelegte Potential zieht negative Ionen im Elektrolyten an, und die negative Elektrodenplatte zieht positive Ionen an, wodurch ein elektrischer Doppelschichtkondensator auf der Oberfläche der beiden Elektroden gebildet wird. Die Kapazität einer Superkondensatoreinheit beträgt mehrere bis Zehntausende von Methoden [2], da diese Struktur ein spezielles Verfahren verwendet, ihr äquivalenter Widerstand sehr niedrig ist, die Kapazität groß ist und der Innenwiderstand klein ist Superkondensator sehr hoch. Der Spitzenstrom, so dass der Superkondensator eine hohe spezifische Leistung hat, seine Leistungsdichte das 50- bis 100-fache der Batterie beträgt, kann 10 × 103 W / kg erreichen. Diese Eigenschaft macht den Superkondensator sehr gut für kurzfristige Anwendungen geeignet hohe Energie .

2. Eigenschaften des Superkondensators

Während der Verwendung eines Superkondensators findet keine chemische Reaktion statt, und es gibt keine mechanische Bewegung wie Hochgeschwindigkeitsrotation. Es gibt keine Umweltverschmutzung und keinen Lärm. Seine Struktur ist einfach und klein, es ist ein idealer Energiespeicher. Superkondensatorprodukte weisen die folgenden technischen Eigenschaften auf [3]:

(1) Die Ladegeschwindigkeit ist schnell. Es dauert nur 10 Sekunden bis 10 Minuten, um mehr als 95% seiner Nennkapazität zu füllen.

(2) Lange Lebensdauer. Der Tiefenlade- und Entladezyklus kann das 10.000- bis 500.000-fache erreichen. Beispielsweise haben der von der Beijing Hezhong Huineng Company hergestellte Superkondensator HCC250F / 2,7 V und die von Beijing Jixing Technology Co., Ltd. hergestellten Serienkondensatoren eine mehr als 500.000-fache Lebensdauer.

(3) Hohe Energieumwandlungseffizienz. Hoher Stromkreislaufwirkungsgrad> 90%;

(4) Hohe Leistungsdichte. Bis zu 300 W / kg - 50000 W / kg, 5- bis 10-fache Batterie;

(5) Der Prozess der Herstellung, Verwendung, Lagerung und Demontage von Rohstoffen ist umweltfreundlich und eine ideale Stromquelle für umweltfreundlichen Umweltschutz. Es hat einen hohen Sicherheitsfaktor und ist wartungsfrei für den Langzeitgebrauch.

(6) Hohe Lade- und Entladeeffizienz. Da der Innenwiderstand klein ist, ist auch der Lade- und Entladeverlust gering, und die Lade- und Entladeeffizienz ist hoch und kann mehr als 90% erreichen.

(7) Der Temperaturbereich ist breit Bis zu -40 ~ +70 ° C. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Superkondensatorelektrodenmaterials wird nicht von der Temperatur beeinflusst;

(8) Bequeme Erkennung und Kontrolle. Die Restleistung kann direkt mit der Formel E = CV2 / 2 berechnet werden. Die gespeicherte Energie kann nur durch Erfassen der Klemmenspannung bestimmt werden. Die Berechnung des Ladezustands (SOC) ist einfach und genau, sodass Energie leicht verwaltet und gesteuert werden kann.

3. Probleme mit Superkondensatoren

Bei Superkondensatoranwendungen, bei denen die Energiedichte hoch und das Tastverhältnis lang ist, sind die Hauptnachteile wie folgt:

(1) Niedrige spezifische Energie. Die Energiedichte eines Superkondensators beträgt etwa 20% der einer Blei-Säure-Batterie; Wenn dieselbe Energie gespeichert wird, sind Volumen und Gewicht eines Superkondensators viel größer als das einer Batterie.

(2) Niederdruckwiderstand. Die Spannungsfestigkeit des Strom-Superkondensators ist viel niedriger als die des gewöhnlichen Kondensators und die Spannung beträgt etwa 1 bis 3 V. Wenn die Serienmethode zum Fahren verwendet wird, ist das Energiespeichersystem relativ sperrig, was dem Fahren von Hochleistungsgeräten nicht förderlich ist.

(3) Die Klemmenspannung schwankt stark. Bei Verwendung eines Superkondensators ändert sich dessen Klemmenspannung exponentiell. Wenn der Superkondensator 3 / 4D Energie abgibt, fällt seine Klemmenspannung auf die Hälfte der ursprünglichen Spannung ab.

(4) Spannungsausgleichsproblem in Reihe. Bei der Herstellung von Superkondensatoren treten Probleme mit ungleichmäßigen Prozessen und Materialien auf. Es gibt einige Unterschiede bei Parametern wie Innenwiderstand und Kapazität derselben Kondensatorcharge derselben Spezifikation. Daher muss die Superkondensatoranordnung mit einer Serienausgleichsvorrichtung ausgestattet sein, um die Energieeffizienz und Sicherheit des Bauteils zu verbessern.

4. Anwendung eines Superkondensators

4.1 Anwendung auf Elektrofahrzeugen

Die Hauptfaktoren, die die Entwicklung der modernen Industrie einschränken, sind Umweltverschmutzungsprobleme und der Energiemangel. Heutzutage hat die Automobilindustrie den größten Teil des Energieverbrauchs der modernen Industrie in Anspruch genommen. Daher ist die Energiespartechnologie von Automobilen zu einer Schlüsseltechnologie geworden, die bei der Entwicklung der Automobilindustrie gelöst werden muss. Aufgrund der überlegenen Leistung von Superkondensatoren bemühen sich Länder auf der ganzen Welt um Forschung und wenden sie zunehmend auf Elektrofahrzeuge an. Die Zehntausende von Superkondensatoren der Farad-Klasse können als kurzfristige Antriebsstromquelle für Elektrofahrzeuge verwendet werden. Unter den Kurzzeit- und Hochleistungsarbeitsbedingungen wie dem Starten, Beschleunigen und Bremsen der Energierückgewinnung von Fahrzeugen können die Leistung und die Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen erheblich verbessert werden. Sexualität und kann effektiv die Leistung der Batterie verbessern. Superkondensatoren sind zu einem neuen Trend in der Entwicklung der Leistung von Elektrofahrzeugen geworden, und das zusammengesetzte Stromversorgungssystem aus Superkondensatoren und Batterien gilt als eine der besten Möglichkeiten, um das Problem der Leistung von Elektrofahrzeugen in Zukunft zu lösen.

Das japanische Hybridauto Honda FCX mit Brennstoffzellen-Superkondensator ist das weltweit erste kommerzielle Brennstoffzellenauto. Es wurde 2002 in Japan und Kalifornien eingeführt. Der japanische Nissan führte auch einen Erdgas-Superkondensator-Hybridbus ein, wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Kraftstoffverbrauch des Autos beträgt das 214-fache des ursprünglichen Erdgasautos.

Das PSI-Institut in der Schweiz installierte eine 360-Wh-Superkondensatorbank in einem 48-kW-Brennstoffzellenfahrzeug. Der Superkondensator unterstützte die Brennstoffzelle mit einer Impulsleistung von 15 kW von 50 kW, wobei die Verzögerung des Antriebssystems und die Leistung im Startzustand voll ausgenutzt wurden. 1996 entwickelte Eltran aus Russland ein Elektrofahrzeug mit einem Superkondensator als Stromquelle. Es verwendet 300 Kondensatoren in Reihe und kann 12 km mit einer Geschwindigkeit von 25 km / h fahren. Der vom NASALewis Research Center in den USA entwickelte Hybridbus verwendet Superkondensatoren als Hauptenergiespeichersystem. Die American Electric Fuel Company (EFC) entwarf und entwickelte das Zink-Luft-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, das auch Superkondensatoren als Hilfsenergie verwendet und Superkondensatoren installiert. Es hat seine Laufleistung um fast 25% erhöht.

Nach dem Start von Chinas Elektrofahrzeugprojekten "Elftes Fünfjahr" und "863" haben auch inländische Unternehmen, die Superkondensatoren entwickeln, ihre Entwicklungsanstrengungen verstärkt. Chinas erster "Kondensator-Energiespeicher-Trolleybus mit variabler Frequenz" wurde im Juli 2004 in Zhangjiang, Shanghai, in Betrieb genommen. Wenn die Straßenbahn an der Haltestelle steht, kann sie in 30 Sekunden mit einer Geschwindigkeit von 44 km / h schnell und nachhaltig aufgeladen werden Energieversorgung. . Dieser Obus nutzt die Vorteile der Superkondensatorleistung und des Festparkens im öffentlichen Verkehr voll aus. Der vom Harbin Institute of Technology und der Jurong Group entwickelte Elektrobus mit Superkondensator hat eine Höchstgeschwindigkeit von 20 km / h und bietet Platz für bis zu 50 Passagiere. 2010 wurden auf der Shanghai World Expo insgesamt 1.147 energiesparende und neue Energiefahrzeuge investiert: Superkondensatorfahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, reine Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge. Die neuen Energiefahrzeuge im Park nahmen während des tatsächlichen Betriebs 66% der Kapazität im Park ein. Es wurde eine Entlastung der öffentlichen Verkehrsmittel im Park und eine geringe Emission öffentlicher Verkehrsmittel im Park erreicht. Darüber hinaus haben die Shanghai Aowei Company, die Beijing Jixing Company, die Jinzhou Baina Electric Company und die Harbin Jurong Company ihre eigenen Superkondensatorprodukte für HEV (Hybrid Power Unit) oder EV (Electric Vehicle) auf den Markt gebracht. Das derzeitige Design und die Steuerung von Superkondensator- und Batterie-Verbund-Elektrofahrzeugen stecken jedoch im Grunde noch in den Kinderschuhen, und es besteht immer noch eine Lücke zwischen den von inländischen Unternehmen hergestellten Superkondensatoren und ausländischen Produkten.

4.2 Funktionsprinzipdiagramm der zusammengesetzten Stromversorgung für Elektrofahrzeuge

Reines Superkondensator-Elektrofahrzeug ist die einzige Energiequelle für Elektrofahrzeuge. Diese Methode ist einfach aufgebaut, kostengünstig, praktisch und emissionsfrei und eignet sich daher für Festnetz-Kurzstreckenbereiche wie Schulen und Kindergärten. Der Lieferwagen kann benutzt werden, der Traktor am Bahnhof oder am Flughafen kann benutzt werden, der Park-Tourbus und der Elektrobus können ebenfalls benutzt werden. Die Elektrofahrzeuganwendung des Superkondensators und der Batterie oder der Brennstoffzelle zur Bildung eines Verbundleistungssystems ist flexibler und hat einen größeren Anwendungsraum.

Superkondensator-Batterie-Verbundantriebssystem Das Funktionsprinzip eines Elektroautos ist in Abbildung 3 dargestellt. Zunächst versorgt das Elektrofahrzeug den Elektromotor unter normalen Fahrbedingungen über einen Stromrichter mit Energie. Unter Bedingungen des Fahrens mit leichten Fahrzeugen lädt die Batterie den Superkondensator auf, so dass der Superkondensator eine hohe Ausgangsleistung aufweist; Wenn das Fahrzeug beschleunigt oder steigt, versorgen der Superkondensator und die Batterie gleichzeitig den Motor mit Energie. Wenn das Fahrzeug bremst oder bergab fährt Wenn sich der Motor im Generatormodus befindet, wird die regenerative Energie vom Stromrichter für den Superkondensator geladen. Wenn der Superkondensator nicht die gesamte regenerative Energie aufnehmen kann, wird der verbleibende Teil von der Batterie absorbiert.

4.3 Anwendung im USV-System

Die meisten aktuellen USP-Systeme (unterbrechungsfreie Stromversorgung) verwenden Blei-Speicherbatterien als elektrische Energiespeicher. Bei Verwendung bei häufigen Stromausfällen werden die Batterien aufgrund unzureichender Langzeitladung sulfatiert und die Lebensdauer wird erheblich verkürzt. Superkondensatoren sind von häufigen Stromausfällen nicht betroffen und können in kurzer Zeit vollständig aufgeladen werden. Superkondensatoren machen es aufgrund seiner Ausgangsleistungseigenschaften mit hoher Leistungsdichte zu einer guten Notstromquelle. Beispielsweise darf im Hochofen der Kühlwasserprozess des Stahlwerks nicht unterbrochen werden. Sobald die Stromversorgung abgeschaltet ist, kann der Superkondensator sofort eine hohe Ausgangsleistung bereitstellen, um den Dieselgenerator zu starten, und den Hochofen und die Pumpe mit Strom versorgen, um die sichere Produktion des Hochofens zu gewährleisten.

4.4 Anwendung in militärischen Systemen

Das US-Militär setzt Superkondensatoren auf gepanzerte Personentransporter, schwere Lastwagen und Panzer ein. Die Leistung, die Oshkosh Motors zur Herstellung des HEMTTLMS-Konzeptautos für das US-Militär verwendet, ist das elektrische ProPulse-Hybridantriebssystem von Maxwell, das PowerCache-Superkondensatoren verwendet. Die PEMFC-Stromerzeugungstechnologie bietet aufgrund ihrer Vorteile von hoher Effizienz, Sauberkeit, geringem Gewicht, geringer Größe und niedriger Betriebstemperatur äußerst breite Anwendungsaussichten in der zivilen Luftverteidigungskommandotechnik. Unabhängig davon, welches Stromversorgungsverfahren angewendet wird, muss der vom PEMFC-Generator erzeugte instabile Gleichstrom in einen stabilen Gleichstrom umgewandelt werden, um die Last oder den Wechselrichter zu versorgen. Die dynamischen Eigenschaften des PEMFC-Generators zeigen im Falle eines plötzlichen Lastanstiegs einen signifikanten Spannungsabfall, der die anschließende ordnungsgemäße Funktion von DC / DC und DC / AC (Straight / AC-Umwandlung) schützt. Die Verwendung von Superkondensatoren zur Kompensation der dynamischen Eigenschaften des PEMFC-Generators eliminiert die Spannungsabfallspitzen bei plötzlichen Lastanstiegen, wodurch die dynamische Ausgangsleistung des Generators verbessert und eine stabile Gleichspannung für nachfolgende Gleichstromlasten und Gleichstrom / Wechselstrom bereitgestellt wird.

4.5 Anwendung an elektrischen Geräten mit geringem Stromverbrauch

Herkömmliche Batterietaschenlampen haben eine begrenzte Lebensdauer. Selbst mit modernen LED-Taschenlampen dauert das vollständige Aufladen Stunden und der akku hat eine sehr kurze Lebensdauer. Die Verwendung von Superkondensatoren als Taschenlampen für Energiespeicherkomponenten erfordert nur 90 Sekunden zum Aufladen und eine Lebensdauer von 500.000 Zyklen. Wenn es einmal täglich geladen und entladen wird, kann es etwa 135 Jahre lang verwendet werden. Diese taktische Taschenlampe wurde von Polizei und Militär entwickelt. Die Verwendung von Superkondensatoren als Energiespeicherkomponenten stellt sicher, dass Notlichter die Eigenschaften Energieeinsparung, hohe Helligkeit, Unterbrechung und lange Lebensdauer aufweisen.

5. Terminologie

Als eine Art Energiespeichersystem mit großem Energiespeicher, schneller Lade- und Entladegeschwindigkeit, großem Betriebstemperaturbereich, sicherem und zuverlässigem Betrieb und wartungsfreiem Betrieb mit Superkondensatortechnologie wird die Batterie schrittweise ersetzt und das Anwendungsfeld erweitert . Es wird sicherlich den technologischen Fortschritt fördern und größere wirtschaftliche und soziale Vorteile erzielen.

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