过去的十年,材料和结构技术的发展把法拉电容从一个“不成熟”的后备器件变为了一种非常有效的储能方式。虽然电容的储能容量与电池相比非常的小,但它可以非常迅速的充、放电,能在使用期限中传输数万次的大功率脉冲,并且很容易满足产品的设计寿命需求。电容能非常迅速的充电和放电,并能在任何储能状态中工作,甚至在完全放电的条件下,且对元件的寿命不会产生任何不良影响。电容也的确已经成为动力电子领域面向产品的设计中不可或缺的元件。目前,已有许多厂商认识到电容技术优势和高实用性能,并开始生产基于电容的各类系统。
工程师们在主要能源设备的设计中基本要满足峰值功率的需求,比如对于一个发动机或电池系统,就需要满足高负荷下工作,哪怕这种需求仅持续几秒。为了满足高负荷而不是平均负载设计整个系统,显然会导致成本的增加和效率的降低。这种系统可以将主要能源设备中的能量部分储存为电能,从而改进这类系统的设计,例如使用电池作为二级能量储存设备,并在需要的时候迅速释放这部分能量。这样的高能传输方式为能源系统提供了一个动态的输出能力来满足瞬时峰值功率的需求。但是电池并不能很好的用来频繁的提供瞬时峰值功率;在这方面,电容是好的选择。
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如今,好的电容是功率密度高达20kW/kg的超高功率器件,尽管能量仍只有电池的一小部分。电容的尺寸非常紧凑(小的电容通常只有邮票大小或者更小),但它们可存储的能量比传统电容要高得多,并且放电速度可以很快也可以很慢。它们的使用寿命非常长,可被设计成用于终端产品的整个生命周期。当与电容这个新技术相结合时,高能量电池和/或燃料电池可实现高功率特性和长的工作寿命。
尽管全球有好几家电容厂商提供多种产品,但大多数双层电容基本上是以相似的方式构造的。电容与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。在电容里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小,使电容具有很高的能量密度。大多数电容的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。
电容特性
电容的特性和电池相比有很多不同。主要的区别在下面的表中列出。电池比相同尺寸的电容储存更多的电能,但是在很多功率决定尺寸的储能设备的应用中,电容或许是好的解决方案。 1.电容可以传送频繁脉冲的能量而没有任何有害效应,而许多电池都会在频繁的大功率脉冲工况下减少寿命。 2.电容能在相当短的时间内完成充电,而快速充电常常会损坏电池。 3.电容的循环周期是数万次的,而电池的寿命通常是几百次到1000、2000次。 4.基于低内阻的电容比电池效率更高;在实际应用中电容84%~95%的转换效率比多数电池低于70%的平均效率高出许多。 5.电容能在其许用电压范围中的任何电压值下充电,并且能够完全放电。这就允许在总线电压控制算法中更自由的设计。而电池过放电也是会损坏的。 6.计算电容中的储能值只需要知道电压和电容值。而电容的电容值可以通过测量电流和电压的变化值实时的计算出。而正确的得到电池的储能值需要经过多重复杂的计算,电池的容量通常也是未知的,而且实时地测算也是很困难的。 7.电容有更宽的工作温度范围,甚至可以在低至-40℃的温度下正常工作。而多数电池在温度低至-10℃时就不能工作。 8.电容通过极化高比表面积电极中的电解质工作,电解质、电极和隔离层材料的特性决定了电容的电容量性能。高比表面积的电极和小的带电离子决定了高的电容量;而好的电解质、隔离层和材料,以及工艺设计决定了低的阻抗。 因为电容的能量储存不依赖化学反应,所以它和电池有着根本上的区别。