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超级电容器是一种新型的储能元件,随着它的问世,如何应用好超级电容器,提高电子线路的性能和研发新的电子线路扩展其应用领域是电力电子技术领域科技工作者的一个热门课题。1超级电容器的结构及原理1.1超级电容器结构
图1为超级电容器的模型。超级电容器的实际电极是活性碳多孔化电极,引出电极为铝箔,类似于铝电解电容器的阴极,中间用电解电容器纸作为两
个电极的隔膜在除了引出电极、多孔化活性碳和隔膜外的所有空间均填充电解液,这样做可以获得比被深度腐蚀的铝箔的实际面积与空间面积比大得多,同样,具有流动性的电解液可以与多孔化的活性碳电极紧密接触使实际电极具有更大的有效极板面积,可以达到每克200平方米。尽管超级电容器的实际电极是活性碳粉,仍比电解液的离子半径大得多,因此,容量可以应用平板电容器的容量公式确定:
基金项目:北华航天工业学院科研基金资助项目(KY22008205)收稿日期:2008-12-03从事高效率功率变换、电源技术、智能控制研究。
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第19卷第4期北华航天工业学院学报Vol119No142009年8月JournalofNorthChinaInstituteofAerospaceEngineeringAug12009
超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用
闫晓金孙晋豪徐利娜
(北华航天工业学院电子工程系,河北廊坊065000)
摘:简要叙述了超级电容器的基本结构和工作原理,详细介绍了超级电容器的主要电参数和测试条件,分要析了影响电特性的因素和机理,最后给出了超级电容器在独立光伏系统中的应用及注意事项。关键词:超级电容器;等效串联电阻;阻抗频率特性;独立光伏中图分类号:TP271文献标识码:A文章编号:1673-7938(2009)04-0016-04
C=
ε??0εS
d
(1)
其中ε、、、分别为极板间介质的相对真空d0εS
的介电系数、电介质的相对介电常数、电容器的极板面积、极板间的距离。1.2工作原理[2]超级电容器是利用双电层原理的电容器,原理示意图如图2。
图1超级电容器结构框图
图2双电层示意图
当外电压加到超级电容器的两个极板上时,与
普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负极板存储负电荷,在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种正电荷与负电荷在两个不同向的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下),如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解
作者简介:闫晓金(1982-),男,助教,硕士,辽宁庄河人,主要
液将分解,为非正常状态。由于随着超级电容器放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界—16—
第4期
闫晓金等:超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用
2009年8月
面上的电荷响应减少。由此可以看出:超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。综上所述,图1的结构与双电层原理相结合就组成了电容量极大且货真价实的超级电容器,即便是数千法拉的电容量也是不奇怪的了。
2超级电容器主要特性分析2.1额定容量
还有浪涌电压(可以短时承受的端电压,通常为额定电压的105%～110%),实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压(约为额定电压的1.5倍左右或更高)。
2.3额定电流
额定电流是指超级电容器充到额定电压后,充电电压保持30秒到一分钟后,在5秒时间内将超级电容器的端电压放电到额定电压的一半时所需要的电流。2.4最大存储能量在额定电压是放电到零所释放的能量,以焦耳(J)或瓦时(Wh)为单位,以2.7V、5000F为例:最大存储能量为18.225kJ,放电到额定电压的一半时为:13.669kJ,尺寸为47××60165mm。2.5能量密度最大存储能量除以超级电容器的重量或体积(WhΠ或WhΠ)已达到5.82WhΠ或7.11WhΠ。lkglkg
2.6功率密度
单位:法拉(F)。测试条件:规定的恒定电流
(如10F以上的超级电容器规定的充电电流为5A,10F以下的为3A或1A)充电到额定电压后保持1
分钟,在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值,即:I?t(2)C=
V
由于等效串联电阻(ESR)比普通电容器大,因而充放电时ESR产生的电压降不可忽略,如2.7VΠΩ600F超级电容器的ESR为0.6m,在100A电流放电时的ESR电压降为60mV,占额定电压的2