Einführung in Superkondensatoren

Mit der Entwicklung von Gesellschaft und Wirtschaft legen die Menschen immer mehr Wert auf grüne Energie und eine ökologische Umwelt. Als neuartiger Energiespeicher haben Superkondensatoren aufgrund ihrer unersetzlichen Vorteile immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Ingenieure haben begonnen, herkömmliche Batterien in einigen Designs, die leistungsstarke und hocheffiziente Lösungen erfordern, durch Superkondensatoren zu ersetzen. Mängel in der Batterietechnologie Neue Batterien wie Li-Ion und NiMH können eine zuverlässige Energiespeicherlösung bieten und werden in vielen Bereichen weit verbreitet eingesetzt. Wie wir alle wissen, speichern chemische Batterien elektrische Ladungen durch elektrochemische Reaktionen, was zu einer Faradayschen Ladungsübertragung führt. Sie haben eine kurze Lebensdauer und werden stark von der Temperatur beeinflusst. Dies ist auch die Schwierigkeit, mit der Entwickler von Blei-Säure-Batterien (Batterien) konfrontiert sind.

Gleichzeitig kann sich ein hoher Strom direkt auf die Lebensdauer dieser Batterien auswirken. Daher weisen diese auf chemischen Reaktionen basierenden Batterien für einige Anwendungen, die eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit erfordern, verschiedene Mängel auf. Merkmale und Vorteile von Superkondensatoren Das Prinzip von Superkondensatoren ist keine neue Technologie. Die meisten gängigen Superkondensatoren haben eine elektrische Doppelschichtstruktur. Im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren weist dieser Superkondensator eine sehr hohe Energiedichte und Leistungsdichte auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren und Sekundärbatterien verfügen Superkondensatoren über eine höhere Ladungsspeicherkapazität als gewöhnliche Kondensatoren und zeichnen sich durch schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit, hohe Effizienz, keine Umweltverschmutzung, lange Lebensdauer, einen breiten Betriebstemperaturbereich und hohe Sicherheit aus . . Ein weiteres wichtiges Merkmal von Superkondensatoren ist neben der Möglichkeit des schnellen Ladens und Entladens ihre niedrige Impedanz. Wenn also ein Superkondensator vollständig entladen ist, weist er eine geringe Widerstandscharakteristik auf, und wenn es keine Begrenzung gibt, zieht er den möglichen Quellenstrom.

Daher muss ein Konstantstrom- oder Konstantspannungsladegerät verwendet werden. Vor 10 Jahren konnten Superkondensatoren jedes Jahr nur in sehr kleinen Mengen verkauft werden, und der Preis war sehr hoch, etwa 1 bis 2 US-Dollar/Farad. Mittlerweile werden Superkondensatoren in großen Mengen als Standardprodukte auf den Markt gebracht, und der Preis wurde mit durchschnittlich 0,01 deutlich gesenkt. ~0,02 $/Farad. In den letzten Jahren haben Superkondensatoren begonnen, in vielen Anwendungsbereichen Einzug zu halten, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik, in der Industrie und im Transportwesen. Die Struktur von Superkondensatoren Obwohl es weltweit viele Hersteller von Superkondensatoren gibt, die viele Arten von Superkondensatorprodukten anbieten können, basieren die meisten Produkte auf einer ähnlichen elektrischen Doppelschichtstruktur. Der Aufbau von Superkondensatoren ähnelt dem von Elektrolytkondensatoren. Sehr ähnlich, ihr Hauptunterschied ist das Elektrodenmaterial. Die Elektroden der frühen Superkondensatoren bestanden aus Kohlenstoff. Das Kohlenstoffelektrodenmaterial hat eine große Oberfläche und die Kapazität hängt vom Abstand zwischen der Oberfläche und den Elektroden ab. Er kann sehr groß sein, die meisten Superkondensatoren können Farad-Niveau haben und der allgemeine Kapazitätsbereich liegt zwischen 1 und 5000 F. Verwendung von Superkondensatoren Superkondensatoren haben ein breites Anwendungsspektrum. In Kombination mit Substanzen mit hoher Energiedichte wie Brennstoffzellen können Superkondensatoren für eine schnelle Energiefreisetzung sorgen, um einen hohen Leistungsbedarf zu decken, sodass Brennstoffzellen nur als Energiequelle genutzt werden können. Gegenwärtig kann die Energiedichte von Superkondensatoren bis zu 20 kW/kg betragen, was begonnen hat, diesen Teil des Marktes zwischen herkömmlichen Kondensatoren und Batterien zu erobern.

In Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit, aber einen geringen Energiebedarf erfordern, können Superkondensatoren als Ersatz für Batterien verwendet werden, oder Superkondensatoren und Batterien können für Anwendungen mit hohem Energiebedarf kombiniert werden, sodass kleinere Größen verwendet werden können. , sparsamere Batterien. Superkondensatoren haben sehr niedrige ESR-Werte, sodass sie schnell große Ströme liefern und große Ströme ableiten können. Im Vergleich zum chemischen Ladeprinzip sorgt das Funktionsprinzip von Superkondensatoren für eine stabilere Leistung dieses Produkts und damit für eine längere Lebensdauer. Superkondensatoren sind eine ideale Stromquelle für Geräte, die schnell aufgeladen werden müssen, wie zum Beispiel Elektrowerkzeuge und Spielzeug. Einige Produkte sind für ein Hybridbatterie-/Superkondensatorsystem geeignet. Durch den Einsatz von Superkondensatoren kann der Einsatz sperriger Batterien vermieden werden, um mehr Energie zu gewinnen. Ein Beispiel sind Digitalkameras in der Unterhaltungselektronik, wo der Einsatz von Superkondensatoren es Digitalkameras ermöglicht, billige Alkalibatterien (anstelle teurer Li-Ionen-Batterien) zu verwenden. Der Nennspannungsbereich von Superkondensatorzellen (Zellen) beträgt 2,5 bis 2,7 V, daher erfordern viele Anwendungen den Einsatz mehrerer Superkondensatorzellen. Bei der Reihenschaltung dieser Zellen muss der Konstrukteur das Gleichgewicht und die Ladung zwischen den Zellen berücksichtigen. Jeder Superkondensator entlädt sich über den internen Parallelwiderstand, wenn er mit Strom versorgt wird. Dieser Entladestrom wird Leckstrom genannt und beeinflusst die Selbstentladung der Superkondensatoreinheit.

Ähnlich wie bei einigen Sekundärbatterietechnologien müssen die Spannungen von Superkondensatoren bei Reihenschaltung ausgeglichen werden, da ein Leckstrom auftritt und die Größe des internen Shunt-Widerstands die Spannungsverteilung über die in Reihe geschalteten Superkondensatorzellen bestimmt. Wenn sich die Spannung am Superkondensator stabilisiert, ändert sich die Spannung an jeder Einheit mit dem Leckstrom und nicht mit dem Kapazitätswert. Je größer der Leckstrom, desto kleiner die Nennspannung. Im Gegenteil: Je kleiner der Leckstrom, desto höher die Nennspannung. Dies liegt daran, dass der Leckstrom dazu führt, dass sich die Superkondensatorzelle entlädt, wodurch die Spannung sinkt, was sich wiederum auf die Spannungen anderer in Reihe geschalteter Zellen auswirkt (vorausgesetzt, diese in Reihe geschalteten Zellen werden mit derselben konstanten Spannung versorgt). Um Schwankungen des Leckstroms zu kompensieren, besteht eine übliche Methode darin, neben jeder Einheit einen Widerstand parallel zu schalten, um den Leckstrom der gesamten Einheit zu steuern. Diese Methode reduziert wirksam die Schwankung des entsprechenden Parallelwiderstands zwischen den Einheiten.

Eine weitere empfohlene Methode ist das aktive Zell-Balancing, bei dem jede Zelle bei einer Spannungsänderung aktiv überwacht und gegeneinander abgeglichen wird. Dieser Ansatz reduziert die zusätzliche Belastung des Geräts und macht die Arbeit effizienter. Wenn die Spannung die Nennspannung des Geräts überschreitet, verkürzt sich die Lebensdauer des Geräts. Bei hochzuverlässigen Superkondensatoren ist die Aufrechterhaltung der Spannung im erforderlichen Bereich ein entscheidender Punkt. Die Ladespannung muss so gesteuert werden, dass sie die Nennspannung jeder Zelle nicht überschreitet.