Nesscap Supercaps Header

电池的革命来了

电池驱动应用常见于许多细分市场,比如汽车行业中的电动汽车、不间断电源(UPS)和许多其它领域。在这些领域中,对性能和使用寿命方面的要求非常高;相比传统的锂离子电池,超级电容器(supercaps) ,也称为超电容(ultracaps)或双电层电容(Electric Double-Layer Capacitor, EDLC),具有许多优点,更适合这些应用。儒卓力的现场应用工程师提供关于这些应用领域的各种咨询服务,从项目规划阶段到实现阶段都包括在内,非常深入的同时也范围广泛全面。儒卓力的产品组合中也包含丰富多样的超级电容产品, 并可以通过在线商城www.rutronik24.com.cn订购。本文将为您介绍EDLC的特点、应用领域和优势,以供参考。

什么是超级电容?

超级电容器安全、坚固而且耐用:双电层电容器 (EDLC) 也被称为超电容或超级电容器,较锂离子电池具有更多优点。它们非常通用,适合各种各类的应用,比如电源供应技术和消费类电子设备。

超级电容器是功率密度(power density)异常高的电容器。 超级电容器的容量和能量密度(energy density)比传统电解铝电容器高出一千倍。与锂离子电池相比,超电容明显功率更高、耐用性更好。对于单独使用锂离子电池远不能满足其输出要求的应用,EDLC是最适合不过的。在这些应用中,超级电容通过峰值功率支持的方式起作用,发挥由EDLC提供的峰值性能。 这将消除锂离子电池的负担并延长其使用寿命。这种混合系统的示例包括无绳螺丝刀。

超级电容如何工作?

超级电容器由在集电器上的两个非反应性多孔碳电极组成,这个集电器浸没在电解质系统中,两端施加电压。在一个EDLC单元中,施加在正电极上的电位吸引电解质中的负离子,而负电极处的相同电位吸引正离子,电介质隔离器则防止两个电极产生短路。与传统电容器相比,多孔碳电极表面的面积十分庞大,因而可储存非常大的能量。

尽管EDLC被认为是电化学装置,但其储能机制中不涉及化学反应:它的工作原理其实是涉及高度可逆的物理现象,这使得EDLC具有极长的循环使用寿命。由于超电容的充电和放电速率仅取决于离子的物理运动,因而可以更快地储存和释放能量。

有别于传统的EDLC,Nesscap赝电容器是超级电容器和高能电池的组合。这种特殊的配置结合了EDLC的快速释放能力和化学电池的更高存储容量。在赝电容器电池中,两个多孔碳电极中的其中一个会被掺杂了金属的碳、导电聚合物或金属氧化物等的材料替代,使得两个电极处产生两种不同的充电机制:在多孔碳电极处出现双电层;而高能电极处则出现感应电流和表面反应的组合。这种组合产生的电荷转移行为,线性地取决于所施加的电压,因而使得赝电容器的功能和行为就像一个电容器。

Nesscap赝电容器通常能够提供近两倍于其相似物理尺寸的超级电容器所能提供的能量,其规定的循环使用寿命虽然不如超级电容器那么长,但却比锂离子电池的寿命要长得多。对于重载循环不是最高优先级的应用,例如不间断电源(UPS)或其它电源备份应用,赝电容器可能是最佳的解决方案。

超级电容器有什么特性?

与标准蓄电池相比,超级电容具有种优点,因而可以实现各种应用:

 

参数

静电电容器

超级电容

电池

 
 

放电时间

10-6~10-3

1-30秒

0.3~3小时

 
 

充电时间

10-6~10-3

1-30秒

1~5小时

 
 

能量密度 (Wh/kg)

<0.1

1~10

20~100

 
 

功率密度 (W/kg)

< 10,000

10,000

50~200

 
 

充电/放电效率

~1.0

~1.0

0.7~0.85

 
 

循环使用寿命

无穷

> 500,000

500~2,000

 

安全且稳固

与锂离子电池相比,与EDLC相关的安全问题实际上是微不足道。锂离子电池的电气特性使得它们很容易超过安全阈值,并且必须考虑其放热反应,尤其是在不正确使用时;然而,EDLC已经被证明是明显更稳固和更安全的。德国茨维考应用科技大学的研究人员对超级电容器进行了所谓的“滥用测试”,迄今为止还没有发现任何有关安全问题的损毁案例。

与锂电池相反,深度放电对于超级电容器来说并不重要。另一方面,超级电容器不应该被过度充电,因为这会大大降低它们的使用寿命,并且会不可逆地损坏电容。此外,电气开关中若出现短路,可能会在使用超电容的期间引起危险。即使在相对较小的设计中,极低的内阻也可能允许高短路电流流过。 为此,我们建议使用适当的保护元件,比如熔断器来中断故障电路。

哪些应用领域受益于超级电容器?

许多应用可以从超级电容器中获益,而其中最受惠的是需要快速充放电的大功率和高电流应用,例如,在混合动力车中,只有超电容可以在制动过程中捕获和储存大量的再生电能,并且快速释放以重新加速。

即使超级电容器目前仅被少量应用在微型到轻度混合动力汽车中,但其节省的能源可高达15%燃料节省。在电力火车、有轨电车和地铁的能源存储系统中,这些节能合计可以轻松地达到25%能耗节省。

当与电池和燃料电池结合使用时,超电容也可以成为很出色的辅助解决方案,以提升整个系统的性能和使用寿命。将超电容与电池结合使用,便可以结合超电容的功率性能与电池的更大的储能能力,这可以延长电池的使用寿命,同时通过增加高峰值功率的可用能量来提高整体性能。

超电容具有巨大的增长潜力,因为它面向的关键市场正好符合我们这个时代的社会需求:对环境友好,有助于节约能源;而且与其它技术结合使用时,还能够提高其它设备的节能性能。

超级电容器可以在哪些细分市场带来最大效益?

以下是部分可从超级电容器中获益的应用领域:

汽车:板网稳定、微混合动力、轻度混合动力

工业和消费品:UPS、医疗、带有小型UPS的PCB板、机器人、检测器、手持工具、AMR、行车记录仪

移动性:混合动力公交车、混合动力电车、服务车、冷启动、船舶、港口电动起重机、挖掘机

可再生能源:太阳能跟踪、变桨控制系统

电网:隔离或组合网络中的网络和频率稳定性

  • 替代电池

  • 安全相关和备份应用
    • 大功率要求
    • 关机时有足够的能量转动叶片

  • 在极端环境中的可靠性
    • 宽温度范围 (-40°C 至 +85°C)

  • 维护成本微不足道
    • 寿命比电池长

  • 生态友好

  • 重量轻
  • 100万次循环的高循环应用

  • 48 V - 166 F
  • 电池增强
    • 补偿或捕获电池上的功率峰值
    • 峰值功率解决方案

  • 桥功率
    • 大功率要求
    • 能够提供足够的能量以在所需的时间中满足要求

  • 削峰
    • 补偿电网的短暂功率峰值(不是负载均衡)
    • 维护成本微不足道
    • 更长的电池使用寿命

  • 峰值功率解决方案
    • 高功率密度

  • 在极端环境中仍然可靠
    • 宽温度范围 (-40°C至+85°C)

  • 安全和应急电源要求
    • 储备(“最后一口气”)

  • 维护成本微不足道
    • 更长的使用寿命
  • 智慧城市的远程监控解决方案
    • 数据通信设备需要冗余电源
    • 街道照明通信模块
      • 超级电容器为2G / 3G调制解调器提供备份能量

  • 安全和应急电源要求

  • 非车载通信

  • 道路交通安全
    • 传感器、仪器仪表、无线通信等

  • 基础设施

  • 5G互联网
    • 多媒体广播
    • 实时流媒体

可能的应用领域包括:

电能质量:补偿输入电压的峰值和骤降

存储备份:保存进程和位置信息以恢复工作

电源应急:作为备用电源,在最终电源故障之前完成即时处理步骤

儒卓力的超级电容专业知识如何帮助您的企业?

儒卓力公司不仅销售EDLC,我们也为客户提供面对面和现场支持,从规划阶段到项目完成一路提供协助。此外,我们还举行一系列研讨会,涵盖电源(POWER)或混合能源存储系统(H.E.S.S.)等主题,提供一个让我们的产品专家和供应商与参会者交流知识和想法的平台。我们正在与德国茨维考应用科技大学合作进行研究项目,所以我们无论在实践和理论方面都处于行业前沿,并为进一步发展更好的能源存储系统作出贡献。H.E.S.S.“演示板”目前正在开发中,以期向客户展示混合动力储能系统的优势。

 

我们的优势纵览:

  • 值得信赖、专业能力强的超级电容器联系人/产品专家
  • 与全球领先供应商保持密切联系
  • 全球物流服务
  • 不论是否有供应商参与,均可为开发者提供技术支持(包括本地客户支持)
  • 我们是与Nesscap一起积极推广XP系列产品的唯一宽线产品分销商
  • 供货稳定、交货周期短:包括XP系列(3 F到50 F)在内,所有Nesscap小型(3 F到50 F)和中等容量(100 F到360 F)产品均备有库存

革新性能源存储

电化学双层电容器可在多个领域取代锂离子电池

它们安全、可靠,并且使用寿命长:电化学双层电容器(EDLC)在本行业中也被称为超级电容器(supercaps)或超电容(ultracaps),与锂离子电池相比,具有许多优点,并且适用于从电源供应技术到消费类电子设备的多种应用领域。尽管如此,EDLC在能量存储领域仍然只占有利基市场。德国茨维考应用科技大学的Mirko Bodach教授、工程学博士近20年来一直在研究各种能源存储器。在本次访谈中,他谈到了EDLC预期获得突破的风险、优势以及原因。

 

 

Mirko Bodach教授、工程学博士

Mirko Bodach教授、工程学博士于2007年被任命为茨维考应用科技大学电能技术/可再生能源教授。19年来,他一直在研究可再生能源系统的电能储存器,并且是率先在这类系统中使用EDLC的先锋之一。Bodach教授和其十二位研究助理组成的团队目前正重点研究涵盖智能、固定电源组件、能源和存储管理等众多项目。

您目前既研究EDLC,也研究锂离子电池,您的研究更侧重于哪方面呢?

Mirko Bodach教授:我们在不同的电气应用场景中使用不同能源存储器。按比例而言,EDLC和传统的蓄电池类型,比如电池,包括锂离子电池以及部分以铅为基础的系统,大致均衡。铅电池仍然非常便宜,已经在固定应用中使用了100多年。

例如,我们目前正在研究一个有意思的项目是关于EDLC和电池组合在一起的热电单元,并即将发表研究成果。该研究的目的是通过使用EDLC来改善较大类型电池的参数。除了性能、使用寿命、稳健性和充电能力之外,这些改善还包括使用相应双存储器的总体接受度以及规范性先决条件。这个研究目标的实现,将允许开发人员更频繁地使用EDLC技术以获取优势。

 

这意味着什么呢?

Bodach:缺乏标准和法规,加剧了开发客户的不确定性。测试机构最终需要根据标准来进行有效和可重复的安全测试,例如关于爆炸和火灾风险以及短路风险的测试。他们必须知道哪些外生和内生因素会造成风险,这方面还需要继续研究。

 

与其它能源存储器相比,存在哪些风险?

Bodach:与锂离子电池相比,使用EDLC产生的安全风险已被证明是最小的。锂离子电池在电气方面很快就会达到极限,且必须考虑放热反应(特别是不适当的操作所造成的放热),而EDLC经证明在这方面是更稳健和更安全的组件。

在我们的滥用测试中,迄今为止还没有发现任何有关安全问题的损毁案例。

要在封闭的房间内产生“可燃”的大气氧气混合物(来自电解质)将需要大量EDLC,甚至是多于突然出现脱气的安装空间内能够放置的实际数目。

与锂电池不同,深度放电不会对EDLC造成问题。虽然过度充电会大大降低使用寿命,但不会构成安全性方面的重大问题。

当EDLC用于电路时,短路可能会带来额外的危险。由于串联内阻较低,因此即使在相对较小的设计中也可能流过较高的短路电流。所以,使用适当的保护元件来中断故障电路是非常重要的。

不过,这个问题同样也会出现在能够于短时间内消耗大量电力的其它类型蓄电池。从我们的角度来看,EDLC是非常安全的,总体上没有问题。

 

所以说,与锂离子电池相比,EDLC更稳健。那它的使用寿命又怎样?它是如何计算的呢?

Bodach:根据我们从研究项目所得的经验,使用寿命在很大程度上取决于目标应用。通过大量不同EDLC的循环测试,我们成功地创建了一个基于Arrhenius法则的数学模型,能够相当准确地估算使用寿命。在这种情况下,目标应用是很重要的,这可以通过两个截然相反的应用来说明。

一个应用是不间断电源(UPS),另一个则是用于动能回收系统(KERS)。UPS中的EDLC保持连续涓流充电模式,而且很少需要向系统提供能量;而在KERS中,能量是不断循环利用的。

这里决定性的因素是与电压、电流、温度以及供应商相关的参数。在这种情况下,我们通常推荐进行一个针对应用特定的、科学支持的使用评估。

 

您的一系列测试是否显示了不同制造商的产品在化学成分方面具有很大差异?

Bodach:过去,品牌厂商的不同批次产品之间的波动不大,且规格与我们自己的测量结果相符。 像Maxwell或Nesscap这样的市场领导厂商,它们在数据表中指出的参数绝大部分能够在测试中重现。在以往,一些制造商的“无品牌”电容器肯定有偏差,然而,他们的产品正在改善,不过品牌厂商仍然比他们有优势。

 

温度循环对使用寿命有决定性的影响吗?还是有其它重要因素?

Bodach:EDLC使用期间的平均温度与平均电压大致有相同权重。在这种情况下,平均电流是次要的。温度和电压因此是驱动参数,因为它们有利于电解质的降解。

 

这是否意味着,在计算使用寿命时,您假定了使用寿命期间的平均温度,还是说您定义了反映电容器使用或负载的温度廓线? 计算是否包含来自供应商的相应单元的个别参数?

Bodach:这取决于应用:例如,在风力发电机组中,可以假设贴近EDLC电池的运行位置的年平均温度。当然,供应商的参数也包括在内。

 

有没有可以提供给客户或项目的预测算法?

 

关于EDLC的平衡,有什么可以说的?

Bodach:根据我们从试验和项目中获得的经验,当存储单元长时间在高浮动电压下工作时(如UPS),需要进行平衡。 在这种情况下,针对相对较低的电流进行平衡,是一个值得留意的方面。 与恢复系统有所不同:在这种系统中,电容器承受高负载,需要高均衡电流才能有效平衡。电子平衡系统往往无法提供这种功能,而且还会给整个存储系统带来很大的损耗。

在这种情况下,再多加一个单元才更有意义,这可以为较低的电压调整电容的大小,从而延长其使用寿命。

 

某些应用如混合能源存储设备是否也需要平衡呢?

Bodach:从应用的角度来看,前面提到的情况同样会发生。在混合存储系统中,EDLC必须缓冲峰值负载。一般来说,这意味着平衡对于EDLC来说并非关键问题。但另一方面,较慢的存储单元(锂离子电池)则应该配备一个电池管理系统(BMS)。

 

许多成熟的制造商只是刚刚开始转向生产EDLC,他们正在试验不同的化学品和组合物,以找到一种从竞争中脱颖而出的方法,并针对特定的应用领域开发系统。 锂离子结合EDLC的混合系统就是这方面的一个突出例子。您如何看待这种组合技术的风险和隐忧?

Bodach:典型的EDLC在赫尔姆霍尔茨层中储存能量,所以它是一种纯粹的静电储存介质。相比之下,锂电池使用化学反应来储存能量,所以在与EDLC相比较时,需要采用截然不同的基础。 应用产品必须有不同的尺寸。锂电池基本上是一个非常有趣的组件,我可以看到它的潜力,特别是在能量收集方面,只有极少量的自放电起作用。但是,需要注意的一个事实是,在欧盟的电池法案(BattG)中,锂电池可能需要像传统电池一样被处理,这意味着制造商必须做好回收它们的准备。

 

尽管电动汽车领域的生产项目已经开始,但是市场对于EDLC的态度依然谨慎,哪些具体的市场可能带来EDLC在大众市场的突破?

Bodach:UPS领域将是EDLC的理想应用领域。在德国,在非常罕见的主电源故障中,95%的持续时间不到一秒钟,而98%的主电源故障短于十秒钟。这种情况可以用短期UPS来完美应对。这个市场是EDLC的理想选择。在这一点上,EDLC较长的使用寿命非常有利。在风力发电机桨距调整相关的能源存储领域,该系统已经得到了证明。玩具市场也是一个理想的应用领域。

 

这是为什么?

Bodach:设想一种由可充电电池供电的遥控模型车,孩子们只可以玩45分钟,然后便要充电长达两个小时才可以继续玩——现在它被转换为EDLC,孩子们可以将玩具充电几分钟,就可以达到大致相同的玩耍时间,而且从来不需要更换“电池”。 我们已经开发了这样的型款。当然,目前来说,这样的玩具有点贵,但可以快速为用户(和环境)带来回报。然而,这首先要说服玩具制造商。

 

还有什么在阻碍EDLC的市场突破?您需要在哪方面做说服工作?

Bodach:目前,价格、交货时间和有时最低采购数量均会构成问题。如果一个开发商的应用需要订购多达50万个单元,每个单元的价格当然会相应地向下调整。我相信必须继续阐明和明确地解释这些应用的情况,并提供EDLC实现的项目实例。我们需要强调在什么地方以及在哪些参数的情况下有必要使用EDLC。我们与儒卓力合作的经验十分好,他们为我们作为大学提供了一个的机会来测试最新EDLC产品,这是非常重要的。需要灯塔项目来展示EDLC能够做什么——这样做也能说服业界,并使得更多企业希望实施这类型的能源存储概念。

 

创客群体如何帮助推动这种技术发展呢?

Bodach:我的研究小组中就有一个热心的创客,他使用光伏电力充电的EDLC来运行电动牙刷,他还使用EDLC来运行电脑鼠标,这都是有趣的点子!儒卓力这样的分销商可以为创客群体提供启动工具包,其中包含少量相对便宜的EDLC单元,以促使其流通。对学校也是如此:我们发现物理老师对这个元件非常感兴趣,再加上短期的安全培训课程,便可以鼓励学生进行实验。这将使上课变得更有趣,这也有望帮助增长自然科学专业的学生数量,特别是可保证为许多年轻人带来工作机会的电气工程学位。

 

与工业客户的合作项目是什么样的?

Bodach:就像我们和儒卓力的合作:一家公司知道自己想要什么,但可能还没有想到如何实现这个概念。此时,茨维考应用科学大学的电气工程学院就可以作为实力雄厚的合作伙伴,帮助他们进一步开发其概念。过去我们已经支持了许多这类项目。事先只需要简单地调研一个联合项目是否可行。根据工作负荷的密集程度,学生(通过实习、学生研究项目、文凭论文或硕士论文等方式)可能提供支持,并为接下来的步骤提供建议指导;接下来便是合作项目,例如,公司在合同研究的范围内提供财务支持。如果项目真的重大,并涉及高水平科学风险,也可以考虑申请国家补贴。

 

您目前正在从事外部资助项目吗?可以谈谈吗?

Bodach:目前最大的项目是WindNODE,涉及大约70个项目合作伙伴。这个项目由电网运营商50Hertz主导,在这里我们与知名的项目合作伙伴进行合作。从我们的角度来看,电气能源存储器有一个令人兴奋的前景。若大家想了解更多,可以在www.windnode.de找到详细信息。

 

为什么企业应该决定使用EDLC?

Bodach:企业的研发人员应该进行测试,亲自看看这种技术的优势。我相当一段时间以来都认为这是一个非常有意思的元件。当用于适当的位置和适当的电气系统时,EDLC可以彻底改变能源存储的世界! 此外,EDLC所包含的技术造价不高,而且制造这些EDLC所需的原材料也不存在稀缺的危险。

 

有哪些种类的超级电容器?

全新XP产品系列
 

Nesscap零件编号

儒卓力编号

电容额定值

偏压湿度使用寿命*

 
 

ESHSR-0003C0-2R7UC

KUK974

2.7V 3F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0005C0-2R7UC

KUK973

2.7V 5F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0006C0-2R7UC

KUK972

2.7V 6F

2,000 Hrs

 
 

ESHSR-0010C0-2R7UC

KUK971

2.7V 10F

2,500 Hrs

 
 

ESHSR-0025C0-2R7UC

KUK965

2.7V 25F

3,000 Hrs

 
 

ESHSR-0050C0-2R7UC

KUK970

2.7V 50F

3,000 Hrs

 

* = 偏压湿度使用寿命(VR60oC90%相对湿度)

标准产品系列
 

Nesscap零件号

儒卓力编号

电容额定值

偏压湿度使用寿命*

 
 

ESHSR-0003C0-2R7

KUK568

2.7V 3F

< 500 Hrs

 
 

ESHSR-0005C0-2R7

KUK798

2.7V 5F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0006C0-2R7

KUK819

2.7V 6F

< 500 Hrs

 
 

ESHSR-0010C0-2R7

KUK638

2.7V 10F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0025C0-2R7

KUK412

2.7V 25F

500 Hrs

 
 

ESHSR-0050C0-2R7

KUK443

2.7V 50F

1,000 Hrs

 

Nesscap的XP系列有什么特别之处?

即使在不利的条件下,仍具有出色的耐用性和高性能:Nesscap的新型XP™系列专门设计用于高湿度和高温条件。

Nesscap的新系列已经通过了特殊条件(2.7 V,90%相对湿度,60°C)的“偏压湿度测试”,证明在直流电条件下,这些新产品的寿命明显比标准电池更长。

XP™产品提供的电容范围从3F到50F,尺寸和电气规格与相应的Nesscap标准型款相同。 XP™系列采用专利的外壳和接触技术, 所有产品均经过广泛测试,确保满足严格的性能标准,并符合RoHS、UL和REACH标准。 XP™系列的额定温度范围为-40°C至+65°C,并且能够耐受至少500,000次充电/放电循环,提供长周期稳定性。

Nesscap超级电容器 —— 这家公司有何特别之处?

自1999年成立以来,Nesscap公司已经成为超电容技术创新和产品开发领域的全球领先企业,并且屡获奖项。Nesscap Energy公司是EDLC技术的世界领先者,拥有广泛的标准商用产品组合,包括具有不同电压范围的单个单元和模块。该公司已通过了ISO和TS认证,专注于提供卓越的品质。

Nesscap产品用于诸多细分市场,提供多样化的应用和全球机遇以实现持续增长,这些细分市场包括移动性、可再生能源、工业、消费品和汽车。从便携式电子设备到高科技“绿色”汽车,均可使用Nesscap产品来替代这些现代应用所需的高性能能源和电力。Nesscap产品既可以作为单个单元也可以作为模块使用。

一些应用领域因为性能、使用寿命和环境条件,使得普通电池的使用受到限制,在这些情况下,拥有优秀特性的超级电容器便成为了理想选择。

Nesscap持续积极推展各种研发计划以扩大其目前的产品组合,并为研发伙伴提供定制的解决方案。其产品范围包括从3F到360F的单个单元以及5V的小电压模块。Nesscap不断创新和发展,过去五年已有超过20种新产品投放市场。

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