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          對于現代電子設備來(lái)說(shuō),是選擇電池還是超級電容器?

          文章出處:網(wǎng)責任編輯:作者:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2022-04-09 09:49:00【

          超級電容器為能源儲存市場(chǎng)帶來(lái)的好處是巨大的。但只有少數設計人員注意到這種小巧但又強大的元器件。也許這就是為什么一些分析家認為超級電容器仍是一個(gè)小眾市場(chǎng),因較高的價(jià)格水平和缺乏對行業(yè)的了解而導致無(wú)法大規模采用。但越來(lái)越多的分析家發(fā)現這些設備作為一項成熟技術(shù)已得到了越來(lái)越廣泛的應用。

          Transparency Market Research (TMR) 報告中說(shuō),亞太地區已于2012年超越了其他所有地區市場(chǎng),成為全球超級電容器的主要制造地區。在再生制動(dòng)、HEV、微型混合動(dòng)力/啟停系統和航空航天/軍事應用中的發(fā)展刺激了超級電容器技術(shù)的增長(cháng)。這些新的創(chuàng )新應用預計能在未來(lái)幾年內大幅推動(dòng)全球超級電容器市場(chǎng)。  

          超級電容器,也被稱(chēng)為超電容或電子雙層電容器 (EDLC),在能源儲存系統中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。Tesla Motors CEO Elon Musk 認為這些電容器甚至會(huì )取代電池技術(shù)。是什么讓超級電容器有別于其更加常見(jiàn)的同類(lèi)產(chǎn)品?與電池和燃料電池相比如何?這些增強型電容器的發(fā)展市場(chǎng)和應用空間如何?本文將解答這些問(wèn)題。

           

          超導體的差異

           

          超級電容器是一種電化學(xué)電容器,其能量密度比傳統電容器大一個(gè)數量級。在單位體積的電容器中儲存的能量被稱(chēng)為能量密度。能量密度的計量方式為基于體積的(每單位體積)每升瓦特小時(shí) (Wh/l)。

          相比電池,超級電容器具有較低內阻,這意味著(zhù)可實(shí)現高功率(圖1)。功率密度是指能量輸送到負載/從負載吸收能量的速度。

           

          圖 1:超級電容器的最大功率

           

          1:超級電容器的最大功率

           

          超級電容器的另一個(gè)優(yōu)勢是充電和放電速度快。這些設備通過(guò)吸收和釋放離子來(lái)實(shí)現充電和放電。這是由于超級電容器的內部串聯(lián)電阻較低,可在不損壞零件的情況下實(shí)現大電流充放電。

          超級電容器的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是每個(gè)電池的電壓較低,以及不適合交流和高頻電路。根據超級電容器的材料成分,電池電壓負載可從 2.1 V 4 V。但典型值為 2.7 V。如果應用需要更高的電壓,那么必須串聯(lián)多個(gè)電池。

          由于時(shí)間常數問(wèn)題,超級電容設備不是特別適合交流和高頻電路。對于超級電容器,RC 時(shí)間常數具有不同的含義,與普通電容器中所指的過(guò)濾器不同。

           

          利用 RC 時(shí)間常數的一種方式是作為電容器充放電所需時(shí)間的計量單位。這些時(shí)間對于使用電容器來(lái)儲存能量的電源和能源應用來(lái)說(shuō)很重要。傳統電容器的 RC 時(shí)間常數大致為數微秒到數十微秒。相反,超級電容器的 RC 時(shí)間常數大約為 1 秒。這個(gè)響應時(shí)間更慢是因為電容更大(法拉)。

          不過(guò),電容更大讓超級電容器十分適合儲存能量。相比其他儲能設備如電池超級電容器的速度非???。這使得它們十分適合需要儲存和釋放快速激增能量的應用,如再生制動(dòng)。

          曾經(jīng),電容器的能量?jì)Υ?/font>能力相比電池來(lái)說(shuō)微乎其微,從來(lái)沒(méi)有認真考慮過(guò)將其作為電池的替代品,”Synopsys 科學(xué)家 Jamil Kawa 說(shuō)道。.“超級電容器大大提高了單位體積的能量?jì)Υ婺芰?。它尚未達到電池或燃料電池的儲能能力,但考慮到它有一些優(yōu)于電池的特性,因此競爭力已經(jīng)與電池十分接近。

          電池長(cháng)期以來(lái)一直都是能量?jì)Υ鏄藴?。它們怎么?huì )被電容器打???就算是超級電容器也不太可能吧?首先,電池在幾百或上千次循環(huán)之后變會(huì )失去充電能力。但是,在實(shí)際使用中,電容器具有無(wú)限的充放電循環(huán)壽命。  

          其次,電容器的內阻比電池低得多。它們提供的瞬時(shí)功率(每單位時(shí)間的能源)比電池高。這一點(diǎn)很重要,”Kawa 解釋說(shuō)。盡管電池的能量含量比同等超級電容器高,但后者可提供更高的瞬時(shí)功率。

          最后,對于具有能量收集機制的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用,將這種性能強大的儲能設備整合到芯片中的能力是一個(gè)非常重要的要求。超級電容器和微型電池是滿(mǎn)足這些需求的理想之選。

           

          超級電容器對比其他儲能技術(shù)

           

           

          超級電容器相比電池,甚至是燃料電池等其他儲能設備如何?圖 2 提供了直觀(guān)的對比,電池和超級電容器的每一類(lèi)別對應功率密度/能量密度矩陣。燃料電池的能量密度最高,但功率密度很低。電池總的來(lái)說(shuō)比超級電容器的能量密度要高,但超級電容器緊隨其后,功率密度比電池高一些。

           

          圖 2:片上儲存解決方案中的可充電電池對比超級電容器

           

          2:片上儲存解決方案中的可充電電池對比超級電容器

           

          應用

           

          如今,超級電容器可用于穩定波動(dòng)負載以及為移動(dòng)電子產(chǎn)品快速充電。此外,這些電容設備可作為電源緩沖,具有緩解電壓波動(dòng)等功能。
           
          大型超級電容器正越來(lái)越多地用于需要初始高扭矩的工業(yè)應用。小型超級電容器,尤其是可以繼承在小型模塊中的那些超級電容器,將為不可更換電池的應用充電,如能量收集應用。

           

          在大多數應用中,超級電容器將不會(huì )取代電池,但有可能與之共存。根據 Kawa 的說(shuō)法,超級電容器設備將用于需要高水平瞬時(shí)功率的情況,以及與能量收集技術(shù)一樣的快速充電應用。無(wú)法穩定提供可再生能源時(shí),將需要使用電池來(lái)應對黑暗時(shí)期。

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