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超級(jí)電容


什么是超級(jí)電容
  超級(jí)電容器(supercapacitor),又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容,通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件,但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的,也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板,在極板上加電,正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子,負(fù)極板吸引正離子,實(shí)際上形成兩個(gè)容性存儲(chǔ)層,被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近,負(fù)離子在正極板附近。
  超級(jí)電容器向快速充電與大功率發(fā)展
  充電1分鐘即可驅(qū)動(dòng)小型筆記本電腦運(yùn)行近1個(gè)半小時(shí)--200410月于幕張MESSE舉行的IT博覽會(huì)“CEATEC JAPAN”上,這種快速充電的演示成了人們關(guān)心的話題。
   一般筆記本電腦的充電電池要充滿電至少需要1個(gè)小時(shí)。但雙電層電容器卻大幅縮短了這一時(shí)間。
超級(jí)電容器是介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能器件,它既具有電容器可以快速充放電的特點(diǎn),又具有電化學(xué)電池的儲(chǔ)能機(jī)理。超級(jí)電容器也可以分為兩類:(1)以活性炭材料為電極,以電極雙電層電容的機(jī)制儲(chǔ)存電荷,通常被稱作雙電層電容器(DLC);(2)以二氧化釕或者導(dǎo)體聚合物等材料為陽(yáng)極,以氧化還原反應(yīng)的機(jī)制存儲(chǔ)電荷,通常被稱作電化學(xué)電容器。 
   作為一種新型儲(chǔ)能元件,電化學(xué)電容器的電容量可高達(dá)法拉級(jí)甚至上萬(wàn)法拉,能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電和大電流發(fā)電,并比蓄電池具有更高的功率密度(可達(dá)1,000W/kg數(shù)量級(jí))、和更長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命(充放電次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次),同時(shí)可在極低溫等極端惡劣的環(huán)境中使用,并且無(wú)環(huán)境污染。 這些特點(diǎn)使得電化學(xué)電容器在電動(dòng)汽車、通訊、消費(fèi)和娛樂(lè)電子、信號(hào)監(jiān)控等領(lǐng)域的電源應(yīng)用方面具有廣闊的市場(chǎng)前景。有業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè),僅就中國(guó)市場(chǎng)而言,目前的年需求量可達(dá)2,150萬(wàn)只,而整個(gè)亞太地區(qū)的總需求量則超過(guò)9,000萬(wàn)只。美國(guó)市場(chǎng)研究公司Frost & Sullivan不久前發(fā)布的一份報(bào)告也預(yù)計(jì),2002年到2009年之間,全球超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量和銷售收入這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)將分別以157%49%的年復(fù)合增長(zhǎng)率保持高速增長(zhǎng)。
  超級(jí)電容半永久性使用無(wú)需更換   
  傳統(tǒng)的充電電池由于通過(guò)電解液與電極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電力,因此充電時(shí)需要花費(fèi)一定的時(shí)間。經(jīng)過(guò)多次充電和放電后,電解液逐漸分解、材料變質(zhì),性能也隨之下降,用上幾年后大都需要更換。
與此相比,電容器不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),可以直接將電力貯存起來(lái)。不僅充電所需的時(shí)間非常短,還能在瞬間釋放出大量電流,輸出功率很大。由于充電和放電可反復(fù)進(jìn)行數(shù)十萬(wàn)次以上,所以基本上無(wú)需更換,可以半永久性地使用。 
   但原有的電容器存在能量密度低的缺點(diǎn),如果電流強(qiáng)的話不能長(zhǎng)時(shí)間保持。因此,像原來(lái)鈕扣型電容器那樣的小型產(chǎn)品,只能作為電子設(shè)備內(nèi)存等部件的備用電源來(lái)使用。
近年來(lái),能量密度得到提高的大容量電容器相繼問(wèn)世,但尺寸也隨之增大。因此應(yīng)用范圍被局限于混合動(dòng)力卡車等對(duì)尺寸要求不太嚴(yán)格的產(chǎn)品。前面提到的演示活動(dòng)使用的電容器就屬于這一類,長(zhǎng)寬都是20cm,厚度在5cm左右。 
   從近來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,電容器電池大幅度減小尺寸已經(jīng)指日可待。因?yàn)槟芰棵芏瓤赏岣叩脚c鎳氫充電電池相當(dāng)?shù)乃?。干電池大小的鎳氫電池產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛普及。也就是說(shuō),可快速充電、半永久性使用的充電電池也已經(jīng)有望將體積減小到只有干電池的大小。

  超級(jí)電容器為何不同與傳統(tǒng)電容器
  超級(jí)電容器在分離出的電荷中存儲(chǔ)能量,用于存儲(chǔ)電荷的面積越大、分離出的電荷越密集,其電容量越大。 
傳統(tǒng)電容器的面積是導(dǎo)體的平板面積,為了獲得較大的容量,導(dǎo)體材料卷制得很長(zhǎng),有時(shí)用特殊的組織結(jié)構(gòu)來(lái)增加它的表面積。傳統(tǒng)電容器是用絕緣材料分離它的兩極板,一般為塑料薄膜、紙等,這些材料通常要求盡可能的薄。
超級(jí)電容器的面積是基于多孔炭材料,該材料的多孔結(jié)夠允許其面積達(dá)到2000m2/g,通過(guò)一些措施可實(shí)現(xiàn)更大的表面積。超級(jí)電容器電荷分離開(kāi)的距離是由被吸引到帶電電極的電解質(zhì)離子尺寸決定的。該距離(<10 Å)和傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實(shí)現(xiàn)的距離更小。 這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級(jí)電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量,這也是其超級(jí)所在。
  超級(jí)電容器充放電時(shí)間
  超級(jí)電容器可以快速充放電,峰值電流僅受其內(nèi)阻限制,甚至短路也不是致命的。實(shí)際上決定于電容器單體大小,對(duì)于匹配負(fù)載,小單體可放10A,大單體可放1000A。另一放電率的限制條件是熱,反復(fù)地以劇烈的速率放電將使電容器溫度升高,最終導(dǎo)致斷路。
超級(jí)電容器的電阻阻礙其快速放電,超級(jí)電容器的時(shí)間常數(shù)τ1-2s,完全給阻-容式電路放電大約需要,也就是說(shuō)如果短路放電大約需要5-10s(由于電極的特殊結(jié)構(gòu)它們實(shí)際上得花上數(shù)個(gè)小時(shí)才能將殘留的電荷完全
  超電容有哪些優(yōu)點(diǎn):
  在很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量;無(wú)須特別的充電電路和控制放電電路;和電池相比過(guò)充、過(guò)放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響;從環(huán)保的角度考慮,它是一種綠色能源;超級(jí)電容器可焊接,因而不存在像電池接觸不牢固等問(wèn)題;
  超電容有哪些缺點(diǎn):
  如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象;和鋁電解電容器相比,它內(nèi)阻較大,因而不可以用于交流電路;
  超級(jí)電容器與電池的比較
  超級(jí)電容器不同于電池,在某些應(yīng)用領(lǐng)域,它可能優(yōu)于電池。有時(shí)將兩者結(jié)合起來(lái),將電容器的功率特性和電池的高能量存儲(chǔ)結(jié)合起來(lái),不失為一種更好的途徑。 
  超級(jí)電容器在其額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位,且可以完全放出。而電池則受自身化學(xué)反應(yīng)限制工作在較窄的電壓范圍,如果過(guò)放可能造成永久性破壞。
  超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)(SOC)與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單的函數(shù),而電池的荷電狀態(tài)則包括多樣復(fù)雜的換算。
  超級(jí)電容器與其體積相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量,電池與其體積相當(dāng)?shù)某?jí)電容器相比可以存儲(chǔ)更多的能量。在一些功率決定能量存儲(chǔ)器件尺寸的應(yīng)用中,超級(jí)電容器是一種更好的途徑。
  超級(jí)電容器可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無(wú)任何不利影響,相反如果電池反復(fù)傳輸高功率脈沖其壽命大打折扣。
  超級(jí)電容器可以快速充電而電池快速充電則會(huì)受到損害。
  超級(jí)電容器可以反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬(wàn)次,而電池壽命僅幾百個(gè)循環(huán)。
  如何選擇超級(jí)電容器
  超級(jí)電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用:高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征:瞬時(shí)流向負(fù)載大電流;瞬時(shí)功率保持應(yīng)用的特征:要求持續(xù)向負(fù)載提供功率,持續(xù)時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用:斷電時(shí)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R),而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。
下面提供了兩種計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例:
C(F)
 超電容的標(biāo)稱容量;
R(Ohms)
 超電容的標(biāo)稱內(nèi)阻;
ESR(Ohms)
1KZ下等效串聯(lián)電阻;
Uwork(V)
 在電路中的正常工作電壓
Umin(V)
 要求器件工作的最小電壓;
t(s)
 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間;
Udrop(V)
 在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí),總的電壓降;
I(A)
 負(fù)載電流;
瞬時(shí)功率保持應(yīng)用
超電容容量的近似計(jì)算公式,該公式根據(jù),保持所需能量=超電容減少能量。
保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t
超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),
因而,可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)
實(shí)例:
  假設(shè)磁帶驅(qū)動(dòng)的工作電壓5V,安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。
因?yàn)?/span>5V的電壓超過(guò)了單體電容器的標(biāo)稱工作電壓。因而,可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話,那每只的電壓即是其標(biāo)稱電壓2.5V。
如果我們選擇標(biāo)稱容量是1F的電容器,兩串為0.5F??紤]到電容器-20%的容量偏差,這種選擇不能提供足夠的裕量??梢赃x擇標(biāo)稱容量是1.5F的電容器,能提供1.5F/2=0.75F??紤]-20%的容量偏差,最小值1.2F/20.6F。這種超級(jí)電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后,磁帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入小電流工作模式,用超電容剩余的能量。
在該實(shí)例中,均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。
脈沖功率應(yīng)用
  脈沖功率應(yīng)用的特征:和瞬時(shí)大電流相對(duì)的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間從1ms到幾秒。
設(shè)計(jì)分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實(shí)例中總的壓降由兩部分組成:由電容器內(nèi)阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時(shí)壓降。關(guān)系如下:
Udrop=I(R+t/C)
上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。
對(duì)于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用,R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻R可以用直流ESR估計(jì),標(biāo)稱是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.50.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對(duì)于一個(gè)0.001s的脈沖,t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms,顯然R0.090Ohms)決定了上式的Udrop輸出。
實(shí)例:
  GSM/GPRS無(wú)線調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流,該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器(PA)要求3.0V的最小電壓。對(duì)于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下(最小3.0V),允許的壓降是0.6V。
選擇超級(jí)電容器(C0.15F,AC ESR0.200Ohms,DC ESR0.250Ohms)。對(duì)于2A脈沖,電池提供大約1A,超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式,由內(nèi)阻引起的壓降:1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。
結(jié)論
  不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計(jì)算.當(dāng)電路的工作電壓超過(guò)超電容的工作電壓時(shí),可以用相同的電容器串聯(lián).一般地,串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配.在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。
超級(jí)電容器使用注意事項(xiàng)
1
、超級(jí)電容器具有固定的極性。在使用前,應(yīng)確認(rèn)極性。
2
、超級(jí)電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用:
當(dāng)電容器電壓超過(guò)標(biāo)稱電壓時(shí),將會(huì)導(dǎo)致電解液分解,同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱,容量下降,而且內(nèi)阻增加,壽命縮短,在某些情況下,可導(dǎo)致電容器性能崩潰。
3
、超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中,高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱,容量衰減,內(nèi)阻增加,在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。
4
、超級(jí)電容器的壽命:
外界環(huán)境溫度對(duì)于超級(jí)電容器的壽命有著重要的影響。電容器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源。
5
、當(dāng)超級(jí)電容器被用做后備電源時(shí)的電壓降:
由于超級(jí)電容器具有內(nèi)阻較大的特點(diǎn),在放電的瞬間存在電壓降,ΔV=IR。
6
、使用中環(huán)境氣體:
超級(jí)電容器不可處于相對(duì)濕度大于85%或含有有毒氣體的場(chǎng)所,這些環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致引線及電容器殼體腐蝕,導(dǎo)致斷路。
7
、超級(jí)電容器的存放:
 超級(jí)電容器不能置于高溫、高濕的環(huán)境中,應(yīng)在溫度-30+50、相對(duì)濕度小于60%的環(huán)境下儲(chǔ)存,避免溫度驟升驟降,因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。
8
、超級(jí)電容器在雙面線路板上的使用:
 當(dāng)超級(jí)電容器用于雙面電路板上,需要注意連接處不可經(jīng)過(guò)電容器可觸及的地方,由于超級(jí)電容器的安裝方式,會(huì)導(dǎo)致短路現(xiàn)象。
9
、當(dāng)把電容器焊接在線路板上時(shí),不可將電容器殼體接觸到線路板上,不然焊接物會(huì)滲入至電容器穿線孔內(nèi),對(duì)電容器性能產(chǎn)生影響。
10
、安裝超級(jí)電容器后,不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器,這樣會(huì)導(dǎo)致電容器引線松動(dòng),導(dǎo)致性能劣化。
11
、在焊接過(guò)程中避免使電容器過(guò)熱:
 若在焊接中使電容器出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象,會(huì)降低電容器的使用壽命,例如:如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板,焊接過(guò)程應(yīng)為260,時(shí)間不超過(guò)5s
12
、焊接后的清洗:
 在電容器經(jīng)過(guò)焊接后,線路板及電容器需要經(jīng)過(guò)清洗,因?yàn)槟承╇s質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致電容器短路。
13
、將電容器串聯(lián)使用時(shí):
 當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí),存在單體間的電壓均衡問(wèn)題,單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓,從而損壞這些電容器,整體性能受到影響,故在電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí),需得到廠家的技術(shù)支持。
14
、其他:
 在使用超級(jí)電容器的過(guò)程中出現(xiàn)的其他應(yīng)用上的問(wèn)題,請(qǐng)向生產(chǎn)廠家咨詢或參照超級(jí)電容器使用說(shuō)明的相關(guān)技術(shù)資料執(zhí)行

法拉電容用于主電源瞬間波動(dòng)或瞬間停電的備用電源
在一些電子設(shè)備中,由于電機(jī)、繼電器、蜂鳴器或顯示器的起動(dòng)而造成電路電壓的瞬間降低,以致于造成記憶錯(cuò)誤或電路誤動(dòng)作,利用法拉電容器可以起到穩(wěn)定電壓的作用。另外,在電池供電的儀器中,由于振動(dòng)等原因,很有可能產(chǎn)生瞬間斷電的情況,這時(shí)用鋁電解電容也可起保護(hù)記憶或維持電路工作的作用。但是,當(dāng)電路工作電流相對(duì)較大時(shí),法拉電容無(wú)疑是最佳選擇。在攝像機(jī)系統(tǒng)、出租車計(jì)價(jià)器、汽車音響系統(tǒng)、汽車電子儀器及手持商用機(jī)、打字機(jī)以及文字處理機(jī)等。
法拉電容在汽車能源再生系統(tǒng)的應(yīng)用
當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)中仍有運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。為了使能源快速回收,一般用蓄電池來(lái)回收它,但由于頻繁的快速充電降低了蓄電池的使用壽命。而使用法拉電容幾乎能夠?qū)⒛茉唇?/span>100%地快速回收,然后再向負(fù)載及電池輸送電能,以實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。同時(shí),由于法拉電容具較大的放電功率,因此在汽車起動(dòng)和加悚過(guò)程中可使蓄電池的壽命延長(zhǎng),并使組數(shù)減少,從而減輕車體自身重量。
在負(fù)載側(cè)有電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中,當(dāng)大負(fù)載突然起動(dòng)時(shí),一般都需要一個(gè)很大的瞬間電流,這時(shí),如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產(chǎn)生誤操作,如果增大電源容量,對(duì)于平常不需大電流的工作場(chǎng)合來(lái)說(shuō),這顯然是一種浪費(fèi)。而在系統(tǒng)中增加大功率法拉電容就可用較小容量的電源刷驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載。
DVD 
,數(shù)碼相框,手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品應(yīng)用方案:
主電源停電及關(guān)斷期間的后備用電源.在關(guān)機(jī)及更換電源時(shí),隨機(jī)存儲(chǔ)器中的信息、時(shí)鐘等記憶信息需要用備用電源來(lái)維持,在這種情況下,采用法拉電容可保護(hù)這些信息,保護(hù)時(shí)間可根據(jù)電路條件和法拉電容的容量達(dá)到幾分鐘到幾個(gè)月不等(斷電后待機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于電路本身功耗。功耗大,待機(jī)時(shí)間短;功耗小,待機(jī)時(shí)間長(zhǎng);
利用該電源電路可在數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)中記憶無(wú)線電臺(tái)、記錄時(shí)間及維護(hù)時(shí)鐘;在出租車計(jì)價(jià)計(jì)程系統(tǒng)中保持原始數(shù)據(jù);在電話電路中,可以實(shí)現(xiàn)號(hào)碼記憶、重?fù)芎妥詣?dòng)應(yīng)答等功能;另外,VCR,由于微型計(jì)算機(jī)被法拉電容支持著,因此在主電源停電時(shí)仍可繼續(xù)錄制電視節(jié)目。

超級(jí)電容器在稅控收款機(jī)上的應(yīng)用
  稅務(wù)部門推廣使用稅控裝置,運(yùn)用國(guó)際先進(jìn)的監(jiān)控手段堵塞發(fā)票漏洞,相當(dāng)于給每一臺(tái)稅控裝置裝上了類似飛機(jī)的黑匣子 能儲(chǔ)存企業(yè)近期的經(jīng)營(yíng)信息、開(kāi)發(fā)票的情況等,于是出現(xiàn)了一系列的稅控產(chǎn)品,如稅控收款機(jī)、IC卡稅控加油機(jī)。
  此類稅控裝置都應(yīng)該具有斷電保護(hù)功能,即當(dāng)出現(xiàn)突然斷電時(shí),仍能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并能進(jìn)行短時(shí)間IC讀寫(xiě)卡的操作過(guò)程,這時(shí)需要有后備電源作保護(hù)。一般常用的方法是利用蓄電池進(jìn)行供電,但存在某些弊端,如下表。超級(jí)電容器又叫法拉電容,是一種新型的儲(chǔ)能元件,其特性介于電池及普通電容器之間,可以作為稅控裝置可靠的后備電源。在斷電時(shí),由超級(jí)電容器為控制電路提供能量,CPU可在短時(shí)間執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程,讀寫(xiě)完成后,電容器再提供瞬間脈沖電流(幾A),將IC卡彈出
超級(jí)電容器在道釘燈、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品上的應(yīng)用
  LED:高亮發(fā)光二極管
R1,R2:限制電阻
C:陶瓷電容
D1:普通二極管
K:受控開(kāi)關(guān)
工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下:
當(dāng)白天光線較強(qiáng)時(shí),光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為
電信號(hào)通過(guò)二極管給超級(jí)電容器充電,受控開(kāi)關(guān)
K
處于斷開(kāi),LED不亮;夜間光線弱時(shí),光電轉(zhuǎn)
換器停止向超級(jí)電容器充電受控開(kāi)關(guān)K導(dǎo)通,超
級(jí)電容器開(kāi)始向LED放電,直至光電轉(zhuǎn)換器再次
工作。
超級(jí)電容器充放電時(shí)間計(jì)算方法
一般應(yīng)用在太陽(yáng)能指示燈上時(shí),LED都采用閃爍發(fā)
,例如采用一顆LED且控制每秒閃爍放電持續(xù)時(shí)間為0.05,對(duì)超級(jí)電容器充電電流100mA,LED放電電流為15mA.
下面以2.5V50F在太陽(yáng)能交通指示燈上的應(yīng)用為例,超級(jí)電容器充電時(shí)間計(jì)算如下:
C×dv=I×t
C: 
電容器額定容量;
V
:電容器工作電壓;
I
:電容器充電;
t: 
電容器充電時(shí)間
2.5V50F超級(jí)電容器充電時(shí)間為:
t =(C×dv)/I
=(50×2.5)/0.1
=1250s
超級(jí)電容器放電時(shí)間為:
C×dv-I×C×R=I×t
C: 
電容器額定容量;
V
:電容器工作電壓;
I
:電容器放電電流;
t: 
電容器放電時(shí)間;
R
:電容器內(nèi)阻
2.5V50F超級(jí)電容器從2.5V放到0.9V放電時(shí)間為:
t =C×(dv/I-R)
=50×[
2.5-0.9/0.015-0.02]
=5332s
應(yīng)用在LED上工作時(shí)間為5332/0.05=106640s=29.62小時(shí)

電動(dòng)玩具類:
電動(dòng)玩具汽車是兒童喜愛(ài)的一種玩具,長(zhǎng)期以來(lái)靠裝備蓄電池于其中。超級(jí)電容作為儲(chǔ)能器件,應(yīng)用于玩具汽車,優(yōu)勢(shì)非常明顯,它可使汽車體積和重量減輕,充放電壽命延長(zhǎng),成本降低(相對(duì)于使用Ni-MHLi-Ion電池)。 
原理:將超級(jí)電容與Motor連接在一起,LED用于顯示充電情況。使用時(shí)用外部充電器對(duì)電容充電,當(dāng)LED燈足夠亮?xí)r表示充電結(jié)束,玩具車可以與充電器分離,使用時(shí)由超級(jí)電容對(duì)Motor供電,以維持玩具車行駛。在此,超級(jí)電容完全取代了電池,并且體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。 
德國(guó)GALERIE MEINER生產(chǎn)的一種商標(biāo)名為Condensor Plane 的電動(dòng)模型飛機(jī)采用的是日本ELNA公司的“GoldCap”驅(qū)動(dòng)的,該電容器容量為3.3F,電壓為2.5V。韓國(guó)最大的鋁電解電容和金屬膜電容生產(chǎn)廠家NuinTEK公司聲稱,他們生產(chǎn)的產(chǎn)品比“GOLDCAP”具有更高的容量和更小的重量。例如,模型飛機(jī)中原來(lái)采用的“GOLDCAP“體積為23 by 13mm(length×diameter),而具有3F相似容量的NuinTEK公司產(chǎn)品體積只有21×8mm,明顯要小的多,在要求采用容量大質(zhì)量輕電源的飛行類電動(dòng)玩具上極有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
NuinTEK
公司還開(kāi)發(fā)20F25F產(chǎn)品,為了驗(yàn)證其在玩具飛機(jī)中的應(yīng)用前景,用戶進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)和對(duì)比。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還是圖中所示的Condensor Plane 飛機(jī),實(shí)驗(yàn)者將其固定在卡鉗上,換裝不同的電容器后測(cè)試馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間,工作電路非常簡(jiǎn)單,電容器通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)和馬達(dá)直接相連,沒(méi)有任何保護(hù)電路板之說(shuō)。圖中列出了兩家公司的電容器產(chǎn)品,從左到右分別為GoldCap 3.3 F@ 2.5V(Original), SuperCap3F@2.7V,SuperCap10F@2.3VSuperCap 20F@ 2.5V, SuperCap25F@2.3V。具體實(shí)驗(yàn)方法是先通過(guò)充電設(shè)備模擬實(shí)際情況對(duì)電容器進(jìn)行充電,與我們平時(shí)概念不同的是,玩具飛機(jī)的充電器(和一個(gè)隨身聽(tīng)大小差不多)采用恒電壓2.5V的方式對(duì)電容器進(jìn)行充電。充電開(kāi)始電量一般在1A左右,充電過(guò)程中電流不斷減小,當(dāng)達(dá)到30mA以下時(shí)默認(rèn)為充電完成,對(duì)于20F以上的電容器,則電流降至50mA以下時(shí)默認(rèn)充電完成。雖然實(shí)際情況下使用者尤其是兒童總是通過(guò)延長(zhǎng)充電時(shí)間來(lái)希望充入更多的電量,這對(duì)于要求較長(zhǎng)充電時(shí)間的大容量型電容器非常有利,但是過(guò)長(zhǎng)的充電時(shí)間其實(shí)是沒(méi)有什么用處的。“goldcap”在充電16秒后馬達(dá)可以轉(zhuǎn)動(dòng)48秒以上,但是在空中其不可能飛行48秒,一般也就是滯空30秒,而同樣重量的NuinTEK SuperCap 10F @2.3V產(chǎn)品在充電一分鐘后馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)151秒,估計(jì)滯空時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一分半鐘,雖然充電時(shí)間較長(zhǎng),但完全可以通過(guò)設(shè)計(jì)較大功率的充電器來(lái)獲得更大的充電電流并解決上述問(wèn)題。20F25F的產(chǎn)品具有更好的性能,但是其較大的重量對(duì)玩具的性能可能產(chǎn)生影響,因?yàn)橥婢唢w機(jī)本身的重量不過(guò)12g,而且電容器安裝在飛機(jī)的頭部位置。飛機(jī)中使用的2.5V小型馬達(dá)的啟運(yùn)電流是0.6A,這對(duì)于超級(jí)電容器而言完全不成問(wèn)題。NuinTEK認(rèn)為其從3F60F的超級(jí)電容器產(chǎn)品都可能作為電動(dòng)玩具的電源,例如可以用于驅(qū)動(dòng)個(gè)頭更大的飛機(jī)。
國(guó)內(nèi)也有類似玩具飛機(jī)出售,其動(dòng)力電源是兩節(jié)1.2V鎳鉻電池串聯(lián),每節(jié)電池體積與GoldCap 3.3F@2.5V電容器類似,但是重量要大的多,飛機(jī)明顯頭重腳輕,充電器是四節(jié)一號(hào)干電池,兩并兩串,從容量來(lái)看,這么大的充電器目的就是產(chǎn)生較大的充電電流以達(dá)到短時(shí)間完成充電的目的。飛機(jī)售價(jià)80元人民幣左右,整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要由木線和泡沫塑料以及紙構(gòu)成,成本主要集中在電池和馬達(dá)上,利潤(rùn)很高,我們的超級(jí)電容器在這方面的應(yīng)用中頗具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

(一)智能水表簡(jiǎn)介
  傳統(tǒng)的智能水表,在控制水閥開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí),普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)在于重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此,由于智能水表都沒(méi)有設(shè)計(jì)再充電電路,鋰電池使用到一定時(shí)間后,將無(wú)法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來(lái)水公司來(lái)說(shuō)都是一件繁瑣的事。更危險(xiǎn)的是,電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的,如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量,將無(wú)法可靠的關(guān)斷水閥,造成無(wú)法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。這是內(nèi)部安裝了鋰電池的智能水表的致命缺點(diǎn),直接影響到它的推廣和使用。針對(duì)這一問(wèn)題,水表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)了很多方案,如:盡量降低功耗,在靜態(tài)時(shí)控制漏電流在10uA以內(nèi),保證電池可以連續(xù)使用5年以上,這對(duì)電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型提出了更高的要求,增加了設(shè)計(jì)難度和成品檢測(cè)的工序,元器件成本也增加了。如加上可靠的電池電量監(jiān)測(cè)電路,也會(huì)使成本增加。
(二)方案
  為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問(wèn)題,已有不少?gòu)S家嘗試一種全新的方案,那就是用超級(jí)電容代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無(wú)源器件,介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性,并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng),放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子(而不依靠化學(xué)反應(yīng))釋放電流,從而為設(shè)備提供電源。
超級(jí)電容的特性
  超級(jí)電容與電池比較,有如下特性:
1
、超低串聯(lián)等效電阻(LOW ESR),功率密度(Power Density)是鋰離子電池的數(shù)十倍以上,適合大電流放電,(一枚4.7F電容能釋放瞬間電流18A以上)為水表控制電機(jī)閥或電磁閥的可靠開(kāi)啟提供了保障。
2
、超長(zhǎng)壽命,充放電大于50萬(wàn)次,是Li-Ion電池的500倍,是Ni-MHNi-Cd電池的1000倍,如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次,連續(xù)使用可達(dá)68年。
3
、可以大電流充電,充放電時(shí)間短,對(duì)充電電路要求簡(jiǎn)單,無(wú)記憶效應(yīng)。
4
、免維護(hù),可密封。
5
、溫度范圍寬-40+70,一般電池是-2060。
  方案描述
  與內(nèi)裝鋰電池的智能水表相比較,這種方案是用超級(jí)電容替換鋰電池,封裝在水表中,同時(shí)外接干電池供電。平時(shí)干電池提供水表電路所需能量和對(duì)超級(jí)電容充電,在需要開(kāi)啟水閥時(shí),先檢測(cè)超級(jí)電容是否存儲(chǔ)足夠能量,如果沒(méi)有存儲(chǔ)足夠能量,將不開(kāi)啟水閥,當(dāng)檢測(cè)它存儲(chǔ)足夠能量時(shí),由外接干電池提供能量將水閥開(kāi)啟;在需要關(guān)斷水閥時(shí),如果外接電池不能提供能量將水閥關(guān)斷,那么超級(jí)電容將在此刻提供能量來(lái)關(guān)斷水閥。如同一個(gè)儲(chǔ)水箱,平時(shí)將水存儲(chǔ)起來(lái),在停水時(shí)提供必要的水。
  方案優(yōu)點(diǎn)
  這種方案明顯優(yōu)于以前的設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)如下:
1
、將電池從水表中分離出來(lái),從而可以不考慮電池壽命對(duì)水表的影響,延長(zhǎng)了水表的使用時(shí)間。
2
、另一方面,超級(jí)電容的大電流放電特性保障了水閥關(guān)斷的可靠性,在外接干電池電量不足時(shí),仍能利用存儲(chǔ)在超級(jí)電容上的能量將水閥關(guān)斷。
3
、以前一味追求的漏電流指標(biāo),主要是為了保障電池的使用壽命,改用超級(jí)電容后,漏電流指標(biāo)變得不重要。如果電池電量不足,用戶可以隨時(shí)更換。這樣,不僅使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,減少產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)工序,還使產(chǎn)品的成本降低。
(三)結(jié)論
這種方案克服了現(xiàn)階段智能水表的缺點(diǎn),為智能水表的發(fā)展找到了一條新的道路,實(shí)踐證明是切實(shí)可行的,值得大力推廣。

國(guó)家"863"計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)超級(jí)電容器在電動(dòng)車上的應(yīng)用
  "863" 計(jì)劃是國(guó)家"十五"規(guī)劃的一部分,主要選擇對(duì)國(guó)家影響較大的戰(zhàn)略性項(xiàng)目作為支撐點(diǎn),采取有限項(xiàng)目重點(diǎn)突破的方針,發(fā)展高科技,解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中所遇到的頭等問(wèn)題。 
為維護(hù)我國(guó)能源安全,改善大氣環(huán)境,提高我國(guó)汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,科技部在"十五"規(guī)劃國(guó)家"863"計(jì)劃中,特別設(shè)立了電動(dòng)汽車重大專項(xiàng),計(jì)劃在"十五期間,以電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)平臺(tái)為工作重點(diǎn),力爭(zhēng)在電動(dòng)汽車關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上取得重大突破,使我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)在世界汽車市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)能力。 
  在"863"電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)中,科技部首次將超級(jí)電容器列入該研究計(jì)劃,和電池一起構(gòu)成復(fù)合動(dòng)力源。利用超級(jí)電容器的瞬間高功率、充電迅速、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)滿足電動(dòng)車起動(dòng)、爬坡、加速所需的瞬間高功率,或再生制動(dòng)的高效能量反饋回收。 
友仁科技積極地以市場(chǎng)為導(dǎo)向,緊跟國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃,與有關(guān)科研院所合作采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)共同研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)混合電動(dòng)車用超級(jí)電容器,并被確定為"十五""863"計(jì)劃電動(dòng)汽車合作重大專項(xiàng)的首批啟動(dòng)課題之一,專業(yè)開(kāi)發(fā)電動(dòng)車用超級(jí)電容器。 
  超級(jí)電容器將作為二十一世紀(jì)的新型綠色能源在交通、能源等領(lǐng)域取得廣闊的發(fā)展空間。

手搖手電筒產(chǎn)品說(shuō)明: 
1
、免換電池,只要搖晃30秒鐘,即可發(fā)光5分鐘。
2
、照射距離1公尺。
3
、原裝進(jìn)口,流行透明造型設(shè)計(jì),新穎美觀。
4
、系利用電磁能原理,只要將電筒搖動(dòng)10 ~ 30秒,便可將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,即可發(fā)出超炫藍(lán)光。
5
、省電LED燈泡,符合世界環(huán)保要求,質(zhì)量穩(wěn)定性高。
6
、短波長(zhǎng),超亮亮度,照射目測(cè)有效距離1公尺,適合露營(yíng)、登山等,求生必備。
7
、迷你體積,隨時(shí)配帶,適合長(zhǎng)時(shí)間夜間使用,如夜歸婦女、警務(wù)人員夜間臨檢、路檢查驗(yàn)證件等最佳裝備。

 

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