スーパーキャパシタの動作原理、特性、長所と短所

新しいエネルギー貯蔵コンポーネントとして、スーパーキャパシタは従来の静電コンデンサと化学電源の間のギャップを埋めます。本論文では、スーパーキャパシタの原理、特性、長所と短所を紹介し、複合電気自動車におけるスーパーキャパシタの動作原理を分析し、国内外のさまざまな分野におけるスーパーキャパシタの応用研究を要約します。

科学技術の進歩に伴い、人々は現在、生態学的環境保護とグリーンエネルギーの適用にますます注意を払っています。新しいタイプのエネルギー貯蔵コンポーネントとして、スーパーキャパシタは人々の注目と注目を集めています。スーパーキャパシターは、バッテリーと1970年代と1980年代に開発された従来のキャパシターとの間に開発された新しいタイプのエネルギー貯蔵装置です。その外観は、従来の静電コンデンサと化学電源の間のギャップを埋めます。

1.スーパーキャパシタの原理と分類

スーパーキャパシタは、強力な脈動電力を提供する超電力貯蔵機能を備えた物理的な二次電源です。スーパーキャパシタは、エネルギー貯蔵メカニズムによって主に3つのタイプに分類されます[1]。1炭素電極と電解質界面での電荷分離によって生成される電気二重層キャパシタ。 2電極として金属酸化物を使用して電極表面を酸化し、還元反応によって可逆的な化学吸着を生成するファラデーコンデンサをバルク相にします。導電性高分子を電極として酸化還元反応を起こすコンデンサ。二層スーパーキャパシタは、分極した電解質を使用して電気エネルギーを貯蔵する新しいタイプのエネルギー貯蔵装置です。構造を図1に示します。

電気二重層コンデンサの充放電は純粋に物理的なプロセスであるため、サイクル数が多く、充電プロセスが高速であるため、電気自動車への適用に適しています。電気二重層スーパーキャパシタは、電解質に懸濁された2つの非アクティブな多孔質プレートであり、電圧が2つのプレートに印加されます。正極板に印加された電位は電解液中のマイナスイオンを引き付け、負極板はプラスイオンを引き付け、それにより２つの電極の表面に電気二重層コンデンサを形成する。スーパーキャパシタユニットの静電容量は、特殊なプロセスを使用し、等価抵抗が非常に低く、静電容量が大きく、内部抵抗が小さいため、数千から数万の方法[2]になります。スーパーキャパシタが非常に高い。ピーク電流により、スーパーキャパシターは比出力が高く、電力密度はバッテリーの50〜100倍で、10×103W / kgに達することができます。この機能により、スーパーキャパシターは短期間のアプリケーションに非常に適しています。ハイパワー。

2.スーパーキャパシタの特性

スーパーキャパシターの使用中に化学反応がなく、高速回転などの機械的な動きがありません。環境への汚染はなく、騒音もありません。その構造はシンプルで小さく、理想的なエネルギー貯蔵装置です。スーパーキャパシタ製品には、次の技術的特性があります[3]。

（1）充電速度が速い。定格容量の95％以上を満たすのに10秒から10分しかかかりません。

（2）長いサイクル寿命。深い充電と放電のサイクルは、10,000〜500,000回に達する可能性があります。たとえば、Beijing Hezhong HuinengCompanyが製造したHCC250F / 2.7VスーパーキャパシタとBeijingJixing Technology Co.、Ltd。が製造した直列コンデンサのサイクル寿命は50万倍を超えています。

（3）高いエネルギー変換効率。高電流エネルギーサイクル効率> 90％;

（4）高電力密度。最大300W / kg-50000W / kg、バッテリーの5〜10倍。

（5）原材料の製造、使用、保管、解体のプロセスは無公害であり、理想的なグリーン環境保護電源です。安全率が高く、長期間使用するためのメンテナンスフリーです。

（6）高い充放電効率。内部抵抗が小さいため、充放電損失も小さく、充放電効率が高く、90％以上に達することができます。

（7）温度範囲は-40〜 + 70°Cまで広い。スーパーキャパシタ電極材料の反応速度は、温度の影響を受けません。

（8）便利な検出と制御。残りの電力は、式E = CV2 / 2によって直接計算できます。蓄積されたエネルギーは、端子電圧を検出することによってのみ決定できます。充電状態（SOC）の計算は単純で正確であるため、エネルギーの管理と制御が容易です。

3.スーパーキャパシタの問題

エネルギー密度が高く、デューティサイクルが長いスーパーキャパシタアプリケーションの場合、主な欠点は次のとおりです。

（1）低比エネルギー。スーパーキャパシタのエネルギー密度は、鉛蓄電池の約20％です。同じエネルギーが蓄えられている場合、スーパーキャパシタの体積と重量はバッテリーのそれよりもはるかに大きくなります。

（2）低圧抵抗。現在のスーパーキャパシタの耐電圧は通常のキャパシタよりもはるかに低く、電圧は約1〜3Vです。直列方式を使用して駆動する場合、エネルギー貯蔵システムは比較的かさばり、高出力機器の駆動には役立ちません。

（3）端子電圧が大きく変動します。スーパーキャパシタを使用する場合、その端子電圧は指数関数的に変化します。スーパーキャパシタが3 / 4Dのエネルギーを放出すると、その端子電圧は元の電圧の1/2に低下します。

（4）直列の電圧均等化問題。スーパーキャパシタの製造工程では、工程や材質の不均一性の問題があります。同じ仕様の同じバッチのコンデンサの内部抵抗や容量などのパラメータにはいくつかの違いがあります。したがって、スーパーキャパシタアセンブリには、コンポーネントのエネルギー効率と安全性を向上させるための直列イコライジングデバイスを装備する必要があります。

4.スーパーキャパシタの適用

4.1電気自動車への応用

現代産業の発展を制限する主な要因は、環境汚染の問題とエネルギーの不足です。今日、自動車産業は現代産業のエネルギー消費の大部分を占めています。そのため、自動車の省エネ技術は、自動車産業の発展において解決しなければならない重要な技術となっています。スーパーキャパシタの優れた性能により、世界中の国々が研究を急いでおり、それらを電気自動車にますます適用しています。数万台のファラッドクラスのスーパーキャパシタは、電気自動車の短時間駆動電源として使用できます。車両の発進、加速、制動エネルギー回収などの短時間で高出力の作業条件下では、電気自動車の出力と経済性を大幅に向上させることができます。セクシュアリティとバッテリーのパフォーマンスを効果的に向上させることができます。スーパーキャパシターは電気自動車の電力開発において新たなトレンドとなっており、スーパーキャパシターとバッテリーで構成される複合電力システムは、将来の電気自動車の電力問題を解決するための最良の方法の1つと考えられています。

日本のホンダFCX燃料電池-スーパーキャパシタハイブリッドカーは、世界初の商用燃料電池車です。 2002年に日本とカリフォルニアで発売されました。日本の日産も、図2に示すように、天然ガスとスーパーキャパシタのハイブリッドバスを導入しました。この車の燃料経済性は、元の天然ガス車の214倍です。

スイスのPSI研究所は、48kWの燃料電池車に360Whのスーパーキャパシタバンクを設置しました。スーパーキャパシタは、駆動システムの減速と始動状態の電力を最大限に活用して、15kWの定格パルス電力50kWで燃料電池を支援しました。 1996年、ロシアのエルトランはスーパーキャパシターを動力源とする電気自動車を開発しました。 300個のコンデンサを直列に使用し、25km / hの速度で12km走行できます。米国のNASALewisResearch Centerによって開発されたハイブリッドバスは、主要なエネルギー貯蔵システムとしてスーパーキャパシタを使用しています。 American Electric Fuel Company（EFC）は、補助エネルギーとしてスーパーキャパシターも使用し、スーパーキャパシターを設置する空気亜鉛電池電気自動車を設計および開発しました。走行距離が25％近く増加しました。

中国の「第11次5年」および「863」電気自動車プロジェクトの開始後、スーパーキャパシタを開発する国内企業も開発努力を強化しています。中国初の「コンデンサーエネルギー貯蔵可変周波数ドライブトロリーバス」は、2004年7月に上海の張江で試運転されました。路面電車が停車すると、30Sで44km / hの速度ですばやく充電でき、持続可能です。電源。 。このトロリーバスは、スーパーキャパシター電源と公共交通機関の固定小数点駐車場の利点を最大限に活用しています。ハルビン工業大学とジュロングループが開発したスーパーキャパシタ電気バスは、最高速度が20km / hで、最大50人の乗客を収容できます。 2010年の上海世界博覧会では、スーパーキャパシター車、燃料電池車、純粋な電気自動車、ハイブリッド車の合計1,147台の省エネ車と新エネルギー車が投資されました。公園内の新エネルギー車は、実際の運用中に公園内の容量の66％を占めました。公園内の公共交通機関の排出ゼロと公園周辺の公共交通機関の排出量の削減を実現しました。さらに、Shanghai Aowei Company、Beijing Jixing Company、Jinzhou Baina Electric Company、Harbin Jurong Companyは、HEV（ハイブリッドパワーユニット）またはEV（電気自動車）用の独自のスーパーキャパシタ製品を発売しました。しかし、スーパーキャパシターとバッテリー複合電力電気自動車の現在の設計と制御は基本的にまだ初期段階であり、国内企業が製造するスーパーキャパシターと海外製品との間にはまだギャップがあります。

4.2複合電源電気自動車の動作原理図

純粋なスーパーキャパシタ電気自動車は、電気自動車の唯一のエネルギー源です。この方法は、構造が単純で、コストが低く、実用的でゼロエミッションであるため、学校や幼稚園などの短距離の固定回線エリアに適しています。配送カートが利用でき、駅や空港のトラクターが利用でき、パークツアーバスや電気バスも利用できます。複合電源システムを形成するためのスーパーキャパシタとバッテリーまたは燃料電池の電気自動車への適用は、より柔軟であり、より広い適用スペースを有する。

スーパーキャパシターとバッテリーの複合電力システム電気自動車の動作原理を図3に示します。まず、電気自動車は、通常の運転条件下で、電力変換器を介して電気モーターにエネルギーを供給します。軽自動車の運転条件下では、バッテリーがスーパーキャパシターを充電するため、スーパーキャパシターは高い出力能力を備えています。車両が加速または上昇すると、スーパーキャパシタとバッテリーが同時にモーターにエネルギーを供給します。車両がブレーキをかけたり下り坂になったりしたときモーターが発電機モードのとき、回生エネルギーはスーパーキャパシターの電力変換器によって充電されます。スーパーキャパシタがすべての回生エネルギーを受け入れることができない場合、残りの部分はバッテリーによって吸収されます。

4.3UPSシステムでのアプリケーション

現在のUSP（無停電電源装置）システムのほとんどは、電気エネルギー貯蔵装置として鉛蓄電池を使用しています。頻繁に停電が発生した場合に使用すると、長期間の充電が不十分なためにバッテリーが硫酸化され、寿命が大幅に短くなります。スーパーキャパシタは頻繁な停電の影響を受けず、短時間で完全に充電できます。スーパーキャパシタは、その高い電力密度出力特性により、優れた非常用電源になります。たとえば、高炉では製鉄所の冷却水プロセスを中断することはできません。電源が遮断されると、スーパーキャパシタはすぐに高出力電力を供給してディーゼル発電機セットを始動し、高炉とポンプに電力を供給して高炉の安全な生産を確保することができます。

4.4軍事システムへの適用

米軍は、装甲兵員輸送車、大型トラック、戦車にスーパーキャパシタを適用しています。オシュコシュモーターズが米軍向けのHEMTTLMSコンセプトカーを製造するために使用する電力は、PowerCacheスーパーキャパシターを使用するマクスウェルのProPulseハイブリッド電気推進システムです。 PEMFC発電技術は、高効率、クリーン、軽量、小型、低動作温度という利点があるため、民間防空コマンドエンジニアリングで非常に幅広いアプリケーションの見通しがあります。ただし、どちらの電源方式を採用しても、PEMFC発電機で発生する不安定な直流電力を安定した直流電力に変換して負荷やインバータに供給する必要があります。 PEMFC発電機の動的特性は、突然の負荷増加の場合に大幅な過渡電圧降下を示し、後続のDC / DCおよびDC / AC（ストレート/ AC変換）が適切に機能するのを防ぎます。スーパーキャパシタを使用してPEMFC発電機の動的特性を補償すると、突然の負荷増加時の電圧降下スパイクがなくなり、発電機の動的出力性能が向上し、後続のDC負荷およびDC / ACに安定したDC電圧が提供されます。

4.5低電力電気機器への適用

従来のバッテリー懐中電灯は寿命が限られています。最新のLED懐中電灯を使用しても、完全に充電するには数時間かかり、バッテリーのサイクル寿命は非常に短くなります。エネルギー貯蔵コンポーネントの懐中電灯としてスーパーキャパシタを使用すると、充電に必要な時間はわずか90秒で、サイクル寿命は500,000サイクルです。 1日1回の充電・放電で約135年使用できます。この戦術的な懐中電灯は、警察と軍隊によって開発されました。エネルギー貯蔵コンポーネントとしてスーパーキャパシタを使用することで、非常灯は省電力、高輝度、中断のない、長寿命の特性を備えています。

5.用語

大容量のエネルギー貯蔵、急速な充放電速度、広い動作温度範囲、安全で信頼性の高い動作、メンテナンス不要の一種のエネルギー貯蔵システムとして、スーパーキャパシタ技術により、徐々にバッテリーを交換し、応用分野を拡大していきます。 。それは確かに技術の進歩を促進し、より大きな経済的および社会的利益を達成するでしょう。

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