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大功率超级电容器的实验研究

发布时间:

第7期 2002 年 7 月















ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS

Vol.21 No.7 Jul. 2002

研究与试制
R & D

大功率超级电容器的实验研究
张 莉1 邹积岩 1 薛洪发 2
2.北京金正*科技有限公司,北京  100083 1.大连理工大学电气工程与应用电子技术系 辽宁 大连  116024

摘要:在储能电容器中 双电层电容器的储能密度特别高 但其内电阻大 且元件的输出电压低 笔者对双电层 电容器的单元结构进行了改进 电气性能有了明显地提高 元件电压可达 400 V 0.7 F 储能密度达 4 J/cm3 经试 验测得其内电阻较小 可以满足大电流放电的要求 提出了一种电路*私饩龅缛萜鞯募晕侍 使之能够进行交 流放电 从而拓宽了它的应用领域 关键词:双电层电容器 储能密度 电路* 中图分类号: TM53 文献标识码:A 文章编号:1001-2028 2002 07-0011-02

Experimental Investigations on High Power Super-capacitors
ZHANG Li1 , ZOU Ji-yan1, XUE Hong-fa2
(1.Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024; 2. Beijing Real Champion Technology Company Ltd., Beijing 100083) Abstract: Electric double-layer capacitors (EDLC) exhibit very high storage energy density compared with other capacitors, but their inner resistance is rather high er and output voltage lower. Based on EDLCs, some improvements have been made for increasing operation voltage, which led to an operation voltage of 400 V (0.7 F), and a storage energy density of 4J/cm3 . The measured inner resistance of the capacitors is low enough to meet the requirement of large current discharge. A circuit topology was designed to solve the polarity problem with the capacitors for alternate current applications. Key words: electric double–layer capacitor; storage energy density; circuit topology

电磁发射脉冲电源的关键技术是储能元件 目前 用于储能的电容器主要分三类 1 依靠高电场储能 的高压脉冲电容器 2 依靠高参数电介质储能的电 解电容器 3 依靠极大的等效电极表面积的双电层 电容器 也称电化学电容器 通常双电层电容器的 储能密度要比一般的电容器高几个数量级 但其内电 阻大 元件的输出电压低 所以用于脉冲功率电源则 受到了一定的限制 在第十届国际电磁发射会议上 德国科学家公布了他们应用新介质制作高压脉冲电容 器取得的新成果[1] 储能密度达到了 2~3 J/cm3 美国 Evans 公司 从 20 世纪 90 年代起研制混合型超级电 容器并获得了此项专利 其单元工作电压可达 250 V 储能密度达 4 J/cm3 以上[2] 高达集团金正*科技公司在我国率先开展了大功 率超级电容器的产品开发工作 通过改进双电层电容 器的单元结构 提高了元件的输出电压 其电压值达 400 V 0.7 F 储能密度达 4 J/cm3 以上 这就为电 磁发射系统所需的作用时间较长 有机动性要求的高 能量密度电源带来了新的选择 一般的蓄电池在机动 车的快速启动过程中性能不佳 但与双电层电容器配 合使用 可以大大地提高机动车的启动性能 大功率超级电容器作为新型的储能元件因其具有
收稿日期 作者简介

储能密度大 循环寿命长和良好的充放电性能等特点 在电动汽车的辅助电源和电能武器的发射系统中应用 前景十分广阔

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动态内阻和极限放电能力的测量
r0

双电层电容器 用于脉冲功率技术 Tr K1 K2 D 主要考核其动态内 C 阻和极限放电能 b R1 力 为了满足应用 a RC 需要 对双电层电 图 1 动态内阻测试原理电路 容器的单元结构进 Fig.1 Measurement circuit for 行了改进 并对改 dynamic inner resistance 进后的试品单元进 行了测试 测试电路如图 1 所示 其中变压器 T r 限流电阻 r0 整流元件 D 和开关 K1 组成了试品电容 C 的充电电路 RC 为测量电流 I 的分流器 输出端子 a 接至数字存储示波器的一个通道 R1 为负载电阻 其压降 U 由端子 b 送至示波器的另一个通道 当试 品充电到额定电压时 切断开关 K1 合上开关 K2 通过测量极限电流 I 可以得到元件的动态内阻 设电 容器充电电压为 E 关合 K2 时测得负载电阻 R1 的最
从事超级电容器的理论与实践的研究

2002-03-25 修回日期 2002-05-16 张莉(1964–) 女 吉林长春市人 现为大连理工大学电气工程与应用电子技术系副教授 Tel: (0411)4708570 E-mail: zhangli379@sohu.com

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电 子 元

件 与

材 料
r0

2002 年

大电压降为 Um 则试品动态电阻 r 可由 1 式求得 r = E-Um / I 1 一组试品电容器的工作电压和电容值分别为 42 V 43 F 96 V 8.2 F 112 V 1.25 F 280 V 0.85 F 350 V 0.7 F 400 V 0.7 F 内阻测试结果如图 2 所示 其中 400 V 0.7 F 等级的试品电容 器 单元内阻的*均 值为 0.6 ?左右 大 大地降低了双电层电 容器的内电阻 使该 电容器应用于大电流 R C –1/ ? F –1 放电成为可能 最大 图 2 一组试品的内阻测试结果 放 电 电 流 可 达 400 Fig.2 Results of inner resistance measurement of samples A 400 V 以上 输 出电压与 R/C 基本是线性的 因此 利用双电层电容 器串并联可以满足电磁发射领域大电流放电要求
U/V

r0

图 4 交流应用的*私峁 Fig.4 Circuit topology structure for AC discharge

2

双电层电容器的大电流放电特性

在机动车启动系统的应用中 把双电层电容器和 蓄电池联合使用 可以 I 大大地提高机动车的启 Ib 蓄电池放电曲线 I : 300 A / Div 动效率 例如仅用一台 96 V 8.2 F 双电层电 Ic 电容器放电曲线 容器 就可以提供 1 500 I : 300 A / Div A 的启动电流 即在机 t /s 动车启动瞬间由双电层 图 3 电容器放电曲线和蓄电池 电容器提供的峰值功率 放电曲线 Fig.3 Discharge curves of the 可达 144 kW 以上 同 capacitors and the battery bank 时还降低了蓄电池的最 大电流负荷 这将有助于延长蓄电池的使用寿命 提 高能量的利用率 图 3 为机动车启动瞬间电容器与蓄 电池联合工作时各自的放电曲线 电容器的放电时间 常数约为 0.5 s 其放电特性可以满足启动脉冲的要 求 因此 降低超级电容器的内电阻 能够提高其大 电流充放电的效率
b c

容器 [2] 其阳极采用高纯工业钽粉末 用标准方法 烧结而成 用制作电化学电容器的方法形成 Ta2 O5 电介质 沉积在松散的电极颗粒表面 元件的阴极 用钽箔和 MMO 制做而成 用特殊的方法生成微表 面积 使之达到 6 000×10–6 F/cm2 尤其是采用氧化 钌/活性炭按一定的比例组成的复合材料作混合式超 级电容器的阴极 [3] 该电容器内电阻低 工作电压 高 所以具有理想的储能密度和功率密度 如 0.018 F 54 V 的单元等效串联内阻 R es 为 40 m? 比目前 的超级电容器低一个数量级[4] 低的等效串联电阻 R es 会使大电流放电成为可能 Evans 公司的 0.018 F 54 V 混合电容器已用于美军方研制的机载武器 自跟踪系统 airborne weapon targeting system 放 电电流为 150 A 200 ?s 峰值功率大于 8 kW 重 复频率为 50 Hz 已测得该元件的最大峰值功率可 达 20 kW 以上 目前我们在寻求研究新的电极材料 及电极结构 进一步降低电容器的内阻 提高储能 密度 其目标是 5 J/cm3 和 1 MA 1 kV

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结论

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在交流电路中应用的电路*

一些双电层电容器是有极性的 若用在交流电路 中 就要解决其极性问题 我们设计了一种电路*巳 图 4 所示 利用电力电子技术将电力电子器件和电容器 串并联可以解决电容器的反向充电问题 图 a 是电 流相位为– /2~ + /2 时的电容器极性与电流方向 图 b 是电流相位为+ /2~ +3 /2 时的电容器极性与电 流方向 本试验室建有这样的电力系统短路模拟试验装 置 合成试验回路 其中负载是开关的电弧放电 可 以得到 70 kA 1 000 V峰值工频放电电流

通过对双电层电容器结构的改进 提高了元件的 输出电压 单元工作电压达 400 V 0.7 F 储能密度达 4 J/cm3 以上 可以用作电磁发射系统所需的高能密电 源 样品试验测得其动态内阻很低 结合机车启动工况 给出了放电曲线 为广泛的工业应用打开了新的领域 提出了一种电路*私饩隽苏庵值缛萜鞯募晕侍 使 之能进行交变电流放电 可以得到 70 kA 1 000 V 的 峰值工频放电电流 进一步改进电极结构 如采用混合 式超级电容器的方式 储能密度可望达到 5 J/cm3 以上

参考文献
[1] [2] Wisken H High energy density capacitor for ETC gun applications [J]. . IEEE Trans Magn, 2001, 37(1): 332–335. Evans D A. High energy density electrolytic-electrochemical hybrid capacitor [A]. Proc 14th Capacitor & Resistor Technology Symposium [C]. 1994. Evans D A. Improved capacitor using amorphous RuO2 [A]. Proc 9th International Seminar on Double Layer Capacitor & Similar Energy Storage Device [C]. 1999. th Evans D A. Hybrid capacitor applications [A]. Proc 8 International Seminar on Double Layer Capacitor & Similar Energy Storage Device [C]. 1998. 编辑 伍大志

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新型超级电容器结构的进一步改善
美国 Evans 公司设计了一种新型混合式超级电

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