Superkondensatoren - anders als andere (Teil 2)

Elektroautos: Revolutionäres neues Batteriekonzept? - Clixoom Science & Fiction (Juni 2019).

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Anonim

Super-Kondensatoren - Anders als andere (auf Foto Superkondensator 2.7V, Kapazität 0.22 ~ 20F, ESR 40 ~ 2000ohm)

Fortsetzung vom ersten Teil: Superkondensatoren - anders als andere (Teil 1)

Inhalt

  1. Gleichartiger Schaltkreis
  2. Wie misst man die Kapazität?
    • Lademethode
    • Entladungsmethode
  3. Kapazitanz messen
  4. Kondensatortypen
  5. Vorteile der Superkondensatoren

Gleichartiger Schaltkreis

Superkondensatoren können ähnlich wie herkömmliche Elektrolytkondensatoren aus Film, Keramik oder Aluminium dargestellt werden .

Abbildung 3 - Erstes Modell eines Superkondensators

Diese äquivalente Schaltung ist nur ein vereinfachtes Modell oder ein Modell erster Ordnung eines Superkondensators. Tatsächlich zeigen Superkondensatoren ein nicht ideales Verhalten aufgrund der porösen Materialien, die zur Herstellung der Elektroden verwendet werden. Dies führt dazu, dass Superkondensatoren ein Verhalten zeigen, das näher an Übertragungsleitungen liegt als Kondensatoren.

Im Folgenden finden Sie eine genauere Darstellung der Ersatzschaltung für einen Superkondensator :

Abbildung 4 - Modell eines Superkondensators

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Wie misst man die Kapazität?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kapazität von Superkondensatoren zu messen:

  1. Lademethode
  2. Lade- und Entlade-Methode.

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Lademethode

Die Messung wird unter Verwendung einer Gebührenmethode unter Verwendung der folgenden Formel durchgeführt:

C = t / R

t = 0, 632 x V & sub0 ;, wobei V & sub0 ; die angelegte Spannung ist.

Abbildung 5 - Lade- und Entladeverfahren

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Entladungsmethode

Dieses Verfahren ist ähnlich dem Ladeverfahren, außer dass die Kapazität während des Entladezyklus anstelle des Ladezyklus berechnet wird.

Entladezeit für Konstantstromentladung:

t = Cx (V & sub0; - V & sub1;) / I

Entladezeit für Konstantwiderstandsentladung:

t = CR ln (V1 / V0 )

Woher:
t - Entladezeit,
V 0 - Anfangsspannung
V 1 - Endspannung
Ich - aktuell

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Kapazitanz messen

Superkondensatoren haben so große Kapazitätswerte, dass Standardmessgeräte nicht dazu verwendet werden können, die Kapazität dieser Kondensatoren zu messen.

Die Kapazität wird nach der folgenden Methode gemessen:

  1. Laden Sie den Kondensator 30 Minuten lang bei Nennspannung auf.
  2. Entladekondensator durch eine konstante Strombelastung.
  3. Entladungsrate zu 1mA / F.
  4. Den Spannungsabfall zwischen V 1 und V 2 messen.
  5. Messen Sie die Zeit für die Entladung des Kondensators von V1 auf V2 .
  6. Berechnen Sie die Kapazität mit der folgenden Gleichung:

C = I * (T 2 - T 1 )

V 1 - V 2

Woher:
V 1 = 0, 7 Vr, V2 = 0, 3 Vr (Vr - Nennspannung des Kondensators)

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Kondensatortypen

Wir gruppieren Kondensatoren in drei Familientypen und die grundlegendste ist der elektrostatische Kondensator mit einem Trockenseparator .

Dieser Kondensator hat eine sehr niedrige Kapazität und wird verwendet, um Signale zu filtern und Radiofrequenzen abzustimmen.

Kondensatortypen

Die Größe reicht von einigen Picofarad (PF) bis zu niedrigen Mikrofarad (μF) .

Das nächste Mitglied ist der Elektrolytkondensator, der verwendet wird für:

  1. Leistungsfilterung,
  2. Pufferung und
  3. Kupplung.

Dieser Kondensator, der in Mikrofarad (μF) angegeben ist, hat mehrere tausend Mal die Speicherkapazität des elektrostatischen Kondensators und verwendet einen feuchten Separator.

Wie ein Kondensator funktioniert - von Dr. Oliver Winn

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Der dritte Typ ist der Superkondensator, der in Farad eingestuft ist, der wiederum tausendmal höher ist als der Elektrolytkondensator. Der Superkondensator ist ideal für Energiespeicher, die bei hoher Stromstärke und kurzer Dauer häufige Lade- und Entladezyklen durchlaufen.

Farad ist eine Kapazitätseinheit, die nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannt ist. Ein Farad speichert ein Coulomb elektrischer Ladung, wenn ein Volt angelegt wird. Ein Mikrofarad ist eine Million Mal kleiner als ein Farad, und ein Picofarad ist wiederum eine Million Mal kleiner als das Mikrofarad.

Ingenieure bei General Electric experimentierten erstmals mit dem elektrischen Doppelschichtkondensator, der 1957 zur Entwicklung eines frühen Superkondensators führte. Damals gab es keine bekannten kommerziellen Anwendungen.

1966 entdeckte Standard Oil zufällig die Wirkung des Doppelschichtkondensators bei der Arbeit an experimentellen Brennstoffzellen-Designs. Das Unternehmen kommerzialisierte die Erfindung nicht, lizensierte sie jedoch an NEC, die 1978 die Technologie als "Superkondensator" für Computerspeicher-Backups vermarktete.

Erst in den 1990er Jahren führten Fortschritte bei Materialien und Herstellungsverfahren zu verbesserter Leistung und niedrigeren Kosten.

Der moderne Superkondensator ist per se keine Batterie, sondern durch die Verwendung von speziellen Elektroden und Elektrolyt die Grenze zur Batterietechnologie. Verschiedene Arten von Elektroden wurden ausprobiert und wir konzentrieren uns auf das Konzept der Doppelschichtkondensatoren (DLC). Es basiert auf Kohlenstoff, hat einen organischen Elektrolyten, der leicht herzustellen ist und ist heute das gebräuchlichste System.

Alle Kondensatoren haben Spannungsgrenzen. Während der elektrostatische Kondensator hohen Volt widerstehen kann, ist der Superkondensator auf 2, 5-2, 7 V beschränkt. Spannungen von 2, 8 V und höher sind möglich, würden aber die Lebensdauer verringern .

Um höhere Spannungen zu erreichen, sind mehrere Superkondensatoren in Reihe geschaltet.

Dies hat Nachteile.

Die serielle Verbindung verringert die Gesamtkapazität und die Strings von mehr als drei Kondensatoren erfordern einen Spannungsausgleich, um zu verhindern, dass eine Zelle in Überspannung gerät. Dies ist ähnlich der Schutzschaltung in Lithium-Ionen-Batterien.

Die spezifische Energie des Superkondensators ist niedrig und liegt im Bereich von 1 bis 30 Wh / kg . Obwohl 30Wh / kg im Vergleich zu einem normalen Kondensator hoch sind, ist es ein Fünftel der eines Consumer-Li-Ionen-Akkus. Die Entladekurve ist ein weiterer Nachteil. Während die elektrochemische Batterie im nutzbaren Leistungsband eine konstante Spannung abgibt, nimmt die Spannung des Superkondensators linear von Voll- auf Nullspannung ab.

Dies reduziert das nutzbare Leistungsspektrum und ein großer Teil der gespeicherten Energie bleibt zurück.

Betrachten Sie das folgende Beispiel.

Nehmen Sie eine 6-V-Stromquelle, die auf 4, 5 V entladen werden darf, bevor das Gerät abschaltet. Bei der linearen Entladung erreicht der Superkondensator diese Spannungsschwelle innerhalb des ersten Quartals des Zyklus und die verbleibenden drei Viertel der Energiereserve werden unbrauchbar.

Ein DC-zu-DC-Wandler könnte einen Teil der Restenergie verwenden, dies würde jedoch die Kosten erhöhen und einen Energieverlust von 10 bis 15% bewirken. Eine Batterie mit einer flachen Entladungskurve würde dagegen 90 bis 95 Prozent ihrer Energiereserve liefern, bevor sie die Spannungsschwelle erreicht.

Die folgende Tabelle 1 vergleicht den Superkondensator mit einem typischen Li-Ion:

FunktionSuperkondensatorLithium-Ionen (allgemein)
Aufladezeit1-10 Sekunden10-60 Minuten
Lebensdauer1 Million oder 30.000 Stunden500 und höher
Zellspannung2, 3 bis 2, 75 V3.6 bis 3.7V
Spezifische Energie (Wh / kg)5 (typisch)100-200
Spezifische Leistung (W / kg)Bis zu 10.0001.000 bis 3.000
Kosten pro Wh20 $ (typisch)$ 0.50- $ 1.00 (großes System)
Lebensdauer (im Fahrzeug)10 bis 15 Jahre5 bis 10 Jahre
Lade Temperatur-40 bis 65 ° C (-40 bis 149 ° F)0 bis 45 ° C (32 ° bis 113 ° F)
Ablauftemperatur-40 bis 65 ° C (-40 bis 149 ° F)-20 bis 60 ° C (-4 bis 140 ° F)

Anstatt als eigenständiger Energiespeicher zu arbeiten, arbeiten Superkondensatoren gut als wartungsarme Speichersicherung, um kurze Stromunterbrechungen zu überbrücken. Superkondensatoren sind auch in elektrischen Antrieben kritisch gewor- den.

Der Vorteil der ultraschnellen Aufladung und der Lieferung von Hochstrom auf Anfrage macht den Superkondensator zu einem idealen Kandidaten für Spitzenlastverstärker für Hybridfahrzeuge sowie für Brennstoffzellenanwendungen.

Die Ladezeit eines Superkondensators beträgt etwa 10 Sekunden.

Die Ladungscharakteristik ist ähnlich einer elektrochemischen Batterie und der Ladestrom ist zu einem großen Teil durch das Ladegerät begrenzt. Die Anfangsladung kann sehr schnell durchgeführt werden, und das Aufladen kostet zusätzliche Zeit.

Es müssen Vorkehrungen getroffen werden , um den anfänglichen Stromstoß beim Laden eines leeren Superkondensators zu begrenzen .

Der Superkondensator kann nicht überladen werden und erfordert keine Vollladungserkennung; der Strom hört einfach auf zu fließen, wenn der Kondensator voll ist. Der Superkondensator kann praktisch unbegrenzt geladen und entladen werden. Anders als bei der elektrochemischen Batterie, die eine definierte Lebensdauer hat, ist der Verschleiß eines Superkondensators gering.

Auch das Alter beeinflusst das Gerät nicht wie eine Batterie.

Unter normalen Bedingungen schwindet ein Superkondensator von der ursprünglichen 100-Prozent-Kapazität auf 80 Prozent in 10 Jahren. Das Anlegen höherer Spannungen als angegeben verkürzt die Lebensdauer. Der Superkondensator funktioniert bei heißen und kalten Temperaturen gut.

Die Selbstentladung eines Superkondensators ist wesentlich höher als die eines elektrostatischen Kondensators und etwas höher als die der elektrochemischen Batterie. Der organische Elektrolyt trägt dazu bei.

Die gespeicherte Energie eines Superkondensators sinkt in 30 bis 40 Tagen von 100 auf 50 Prozent.

Eine nickelbasierte Batterie entlädt sich selbst 10 bis 15 Prozent pro Monat. Li-Ion entlädt nur fünf Prozent pro Monat.

Superkondensatoren sind teuer in Bezug auf Kosten pro Watt. Einige Konstrukteure argumentieren, dass das Geld für den Superkondensator besser für eine größere Batterie ausgegeben werden sollte.

Wir müssen erkennen, dass der Superkondensator und die chemische Batterie nicht in Konkurrenz stehen ; es sind vielmehr verschiedene Produkte, die einzigartige Anwendungen bedienen.

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Vorteile der Superkondensatoren

  1. Zellspannung bestimmt durch die Anwendung der Schaltung, nicht durch die Zellchemie begrenzt.
  2. Sehr hohe Zellspannungen möglich ( aber es gibt einen Kompromiss mit der Kapazität )
  3. Hohe Leistung verfügbar.
  4. Hohe Leistungsdichte.
  5. Einfache Ladeverfahren. Keine speziellen Lade- oder Spannungserkennungsschaltungen erforderlich.
  6. Sehr schnelles Laden und Entladen. Kann in Sekunden geladen und entladen werden. Viel schneller als Batterien.
  7. Keine chemischen Aktionen.
  8. Kann nicht überladen werden.
  9. Lange Zykluslebensdauer von mehr als 500.000 Zyklen bei 100% DOD.
  10. Langes Kalenderleben von 10 bis 20 Jahren
  11. Praktisch unbegrenzte Lebensdauer - unterliegt nicht dem Verschleiß und der Alterung der elektrochemischen Batterie.
  12. Niedrige Impedanz - verbessert die Impulsstrombehandlung durch Parallelschaltung mit einer elektrochemischen Batterie.
  13. Schnellladung - niederohmige Superkondensatoren laden in Sekunden auf.
  14. Einfache Ladeverfahren - Spannungsbegrenzungskreis kompensiert Selbstentladung; Es ist keine vollständige Ladungserkennungsschaltung erforderlich.
  15. Kostengünstiger Energiespeicher - Geringere Energiedichte wird durch eine sehr hohe Zyklenzahl kompensiert.
  16. Fast keine Wartung und lange Lebensdauer, mit geringer Verschlechterung über Hunderttausende von Zyklen.
    Während die meisten im Handel erhältlichen wiederaufladbaren Batterien 200 bis 1000 mal geladen werden können, können Ultrakondensatoren hunderttausende Male ohne Beschädigung geladen und entladen werden. In der Praxis können sie jedoch praktisch unbegrenzt oft geladen und entladen werden, und sie werden dauern Die Lebensdauer der meisten Geräte und Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden, ist somit umweltfreundlich.
    Die Batterielebensdauer kann optimiert werden, indem nur unter günstigen Bedingungen, bei einer idealen Rate und für einige Chemikalien so selten wie möglich geladen wird.
    Ultrakondensatoren können in Verbindung mit Batterien helfen, indem sie als Ladungskonditionierer arbeiten, Energie aus anderen Quellen für Lastausgleichszwecke speichern und dann überschüssige Energie verwenden, um die Batterien zu einem geeigneten Zeitpunkt aufzuladen.
  17. Erhöhte Sicherheit, da sie mit Kurzschluss und Verpolung umgehen können. Außerdem besteht keine Brand- und Explosionsgefahr.
  18. Verbesserte Umweltsicherheit, da kein korrosiver Elektrolyt und keine Toxizität der verwendeten Materialien vorhanden ist.
    Wiederaufladbare Batterien verschleißen typischerweise über einige Jahre, und ihre hochreaktiven chemischen Elektrolyte stellen ein Entsorgungs- und Sicherheitsrisiko dar.
  19. Robust, da sie ein Epoxidharz-Gehäuse haben, das nicht korrodierend ist.

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