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“任性”的超级电容,选型可不能任性?

【导读】但凡名称前被冠以“超级”二字,必有其“任性”之处,因为其通常在某些方面的能力或性能,让其他同类不可望其项背,从而在特定场合能扮演超级角色。比如“超人”,就可不受物理定律的限制,任性到令爱因斯坦无语。

当然,今天我们要讨论的超级电容,仍然符合物理定律,但由于其在一些关键性能指标上能够超越普通电容几个量级,所以在不少应用领域上几乎可以任性到独步天下的地步。

超级电容为什么“超级”?

双电层电容(EDLC,Electrochemical Double-Layer Capacitor)是一种电化学电容,之所以被称作“超级”电容,主要是因为它的高能量密度特点,与传统的电解电容相比,其容量高出几个量级。这个优势源于超级电容比较特殊的结构。

在传统的电容中,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得其累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量称为电容量。

而超级电容,可以简单地被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板。在电极板上加电,电解质中相反极性的离子就会在电极板两侧形成两个紧密的电荷层,近似于平板电容产生电容效应,达到储能的目的。

电极上形成的紧密电荷层间距比普通电容的电荷层间距小得多,而且由于电容储能容量的大小与电极的平面面积正相关,超级电容电极表面多采用多孔的活性炭材料,有效面积是光滑表面的数万倍,因此,超级电容的储存能量的能力(静电容量)远远大于传统的电容。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037837

图1:典型超级电容示意图 (图片来源:维基网)

1.电源,2.集电极,3.电极,

4.Helmholtz层,5.电解液,6.分隔

超级电容没有传统的电介质,而是使用绝缘体隔开。这个绝缘层可以让电解液中的正负离子通过。该电解液本身不传导电子,所以当充电结束后,电容内部不会发生漏电;放电时,电极上的电子通过外部电路从一极流向另外一极,其结果是电极与电解液中的离子吸附显著降低,电解液中的正负离子又重新均匀分布开来。

这样特殊的架构,决定了超级电容和一般电容以及其它储能技术相比,在诸多性能方面都拥有绝对可以任性的资本,以至于被冠以“超级”头衔。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037837

表1:超级电容、电容和充电电池等储能技术对比

○ 电容量:超级电容最为“任性”的性能参数是电容量。超级电容的容量远超传统电容,一个标准电池大小的电解电容的容量为几十微法,同样大小的超级电容的容量范围在0.1F至几千F(甚至上万F),差别可达五个数量级。

○ 充电速度:超级电容的充电速度极快,通常达到额定容量的95%只需要数秒至10分钟内即可,比电池充电时间小二至三个量级,绝对秒杀充电电池。

○ 超长寿命:超长的循环使用寿命也是超级电容最为任性的参数之一。其充放电循环使用次数最高可达数十万次,高出充电电池两个数量级,并使得每个充放周期成本大大低于电池。而且,与二次电池相比,超级电容没有过充危险,没有“记忆效应”,电极也不会发生腐蚀。

○ 功率密度:尽管超级电容的能量密度不及电池的一成,但是其功率密度却非常“任性”,高至电池的10至100倍。因为峰值大电流放电能力超强,充放电能量转换效率高。

此外,与充电电池相比,超级电容还有成本较低、放电电压恒定、外部电路简单、低温特性好、更环保等特点,因此在诸多储能应用中备受青睐。

呼之欲出的市场应用

正是由于认识到超级电容的这些价值,近年来它的应用也日渐趋热。

汽车和交通运输无疑将是未来十年超级电容的第一大应用市场。超级电容充电速度快、提供脉冲功率、安全、没有昂贵的材料、报废时无需特殊处理等特性,使其成为未来电动汽车进一步提升续航里程重要的技术选项。

在新能源汽车中,利用超级电容快速充放电的特性,还可以和电池配合形成智能启停控制系统——超级电容可迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能完成充电,而在加速和爬坡时放电,为智能启停控制系统电机提供电能,延长电池的使用寿命。类似的思路也可用在火车和地铁等轨道交通的刹车制动系统,以及启动停止操作频繁的工业领域中,实现节能的目的。

在能源电力领域,后备电源是超级电容一个典型的应用场景:它可以在线路失电时,为开关设备提供可靠的电源支持;也可以在低负荷时储存电能,而在高负荷时输出电能,满足微电网用电需求,提高电网的稳定性。

在新兴的物联网领域,超级电容可以与能量收集技术配合使用,成为使用寿命长、可靠性高、低成本的储能解决方案。此外在消费类电子产品中,超级电容也为各种便携产品提供稳压或充当电源,比如为内置的闪光灯进行快速充电。

随着人们对其应用开发的不断深化,超级电容更大的潜力正在释放出来,这也会给锐意创新的开发者提供更多“任性”发挥的空间。

选择一颗理想的超级电容

当然,设计创意上的“任性”发挥,并不意味着你在超级电容选择上可以任性随便。找一个可靠的供应商、挑选一颗满足设计所需的超级电容,仍然是开发者必须迈出的坚实的第一步。

AVX公司的超级电容就是一个非常不错的选择!AVX提供的多个系列的超级电容产品,都巧妙地融合了高电容、低ESR和低电流、出色的脉冲功率处理能力等特性,在众多竞品中表现抢眼;而且根据不同应用场景的需要,AVX超级电容已经形成完整的产品系列,并有了很多成功的商业案例,成为储能和脉冲电源等应用的理想选择。

AVX的SCC系列柱式超级电容看起来和普通的电解电容很相似,但电容值最高可达3000F,提供2.7V或3V的额定电压,这些电容的工作温度可高达85°C,带电压降额。SCC系列可提供更长的备份时间和更长电池寿命,并能根据需要提供瞬时功率脉冲,相关应用包括能量采集、UPS/工业、无线警报和远程计量等。

SCC系列超级电容

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037837

产品特点

○ 电容值范围为1F~3000F

○ 高脉冲功率处理能力

○ 低ESR

○ 低漏电流

○ 工作温度高达85°C,带电压降额

○ 提供更长备份时间和更长电池寿命

○ 能根据需要提供瞬时功率脉冲

典型应用

○ 相机闪光灯系统

○ 能量采集

○ GSM/GPRS脉冲应用

○ UPS/工业

○ 无线警报

○ 远程计量

○ 扫描仪

○ 玩具和游戏

在SCC系列基础上,AVX还推出了SCC LE产品系列,所谓LE就是低ESR(Low ESR)的意思,该系列产品的ESR都在毫欧级的水平,其中的SCCY1AB857PLBLE 在1000 Hz时的ESR甚至低至0.8mΩ。

SCC LE系列超级电容

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产品特点

○ 电容值范围为3.3F~850F

○ 高脉冲功率处理能力

○ 超低ESR(毫欧级)

○ 低漏电流

○ 提供更长备份时间和更长电池寿命

○ 能根据需要提供瞬时功率脉冲

典型应用

○ 电力保持模块

○ 能量采集

○ UPS/工业

○ 机器人电源

○ 大脉冲电流应用

AVX的SCM系列是串联的超级电容模组,它可用于更高电压的应用,额定电压从5V到9V。该系列电容的电容范围为0.47F至7.5F。

SCM系列超级电容

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037837

产品特点

○ 电容范围为0.47F~7.5F

○ 高脉冲功率能力

○ 低ESR

○ 低漏电流

○ 塑料防潮版本

○ 工作温度高达85°C,带电压降额

○ 提供更长的备份时间和更长电池寿命

○ 能根据需要提供瞬时功率脉冲

典型应用

○ 相机闪光灯系统

○ 能量采集

○ GSM/GPRS脉冲应用

○ UPS/工业

○ 无线警报

○ 远程计量

○ 扫描仪

○ 玩具和游戏

上述的AVX的系列超级电容既可单独使用,也可与一次或二次电池结合使用,成为实现创新能源管理方案的利器。

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