超级电容器储能特性研究
图7描述了恒流充电条件下,超级电容器充电效率随充电电流的变化关系。当充电电流较小时,充电效率相对较低;随着充电电流的增加,充电效率逐渐升高;当充电电流继续增大到一定水平点,充电效率下降,即中等程度的充电电流对应着较高的充电效率。所以在选择超级电容器充电电流时,应该综合考虑超级电容器的充电时间、储能量和充电效率等因素,以期满足用户实际需求并实现超级电容器的最佳配置。
3.7 循环寿命分析
超级电容器的循环寿命可以很长,理论上循环寿命是无限,实际中,虽然受到隔膜影响、电解液稳定性等因素限制,循环寿命也可高达数十万次。采用恒定充电稳压方式进行充放电循环,测量时间序列的超级电容值,可以综合判断超级电容器的循环使用寿命[13]。从图9可以看出,经过3000次循环,混合电容器的电容和能量密度几乎无衰减,说明电容器具有稳定的充放电性能,循环寿命长。
图8 超级电容器循环寿命分析
电容器容量在3000次循环时电容容量达到最大值,整个循环过程中容量变化不大。结合超级电容器的内部构成分析:刚开始进行充放循环时,电极表面最外层的活性物质与电解液接触较好,得以充分利用,而内腔中部分活性炭的中微孔未被利用;随着充放电循环次数的增加,越来越多的中微孔湿润,传递电荷的速度加快,从而使电容器的容量呈上升趋势;然而随着循环的继续进行,活性物质存储电荷的活性有所下降,电容器的容量有所衰减。
3.8 漏电流的测试
任何超级电容器都会在通电的情况下,通过内部并联电阻EPR放电,这个放电电流称为漏电流,它会影响超级电容器单元的自放电。由于漏电流的存在,内部并联电阻的大小将决定串联的超级电容器单元上的电压分配,当超级电容器上的电压稳定后,各个单元上的电压将随着漏电流的不同而发生变化,而不是随着容值不同而变化。为了补偿漏电流的变化,常采用的方法是在每一个单元旁边并联一个电阻,来控制整个单元的漏电流。这种方法有效地降低了各单元之间相应并联电阻的变化[14]。
由于超级电容器静电容量非常大,因此规定在该电容器上施加工作电压30min后所测得的电流为该电容器的漏电流[15]。测试实验如图9所示,温度为(25±5)℃;施加电压为电容器的工作电压,且在测试过程中电源电压波动不超过±0.01V;充电时间为60min;取样电阻10Ω。由漏电流测试图(见图9)得计算公式为:
图10 不同循环次数后电容器的漏电流测试曲线
超级电容器的漏电流和循环次数的关系如图10所示,开始循环时漏电流较大,漏电电流随测试的进行快速降低。主要因为在前几次循环过程中,充电时虽然有大量电荷积累在电极表面形成双电层,由于电解液在电极内部传递电荷的速度较慢,使得活性炭内腔中很多孔未得到充分利用,靠静电吸引在“电极/溶液”界面上积累部分电荷在放电瞬间释放,导致了比较大的漏电流。随着恒压时间的延长,漏电流逐渐减小,30min后基本趋于平稳。循环1000次后,电容器的漏电流保持在4mA以下的较小范围内,5000次减小到2mA,表明电容器性能在循环后趋于稳定,具有较长的循环寿命。
4 结语
超级电容器一般采用恒流稳压充电的方法,理论分析及测试结果表明:
(1)从阻抗角度分析,采用RC等效电路能够较好地描述超级电容器的基本特性;
(2)恒流充电始末阶段有明显电压波动,电压波动幅度主要受充电电流和等效串联电阻的影响,从而影响超级电容器的有效储能量;
(3)超级电容器的容量随充电电流的增加而下降,相应拟合函数为f(x)=0.2x3-143.x2+2749.5;
(4)由Laplace变换和卷积运算获取等效电路的阻抗综合函数Z(t)=R+t/C,可以得到超级电容器在充电情况的电压值V(t)=d/dt[I(t)* Z(t)];
(5)超级电容器储能量与充电电流的拟合函数为f(x)=0.01x2-1.82x+9404.42。中、小程度恒流充电,获得的电能储量值比较稳定,大电流充电在实现充电时间缩短的同时,超级电容器的储能量受到了较大的限制;
(6)当充电电流较小时,充电效率相对较小,中等程度的充电电流对应着较高的充电效率,当充电电流增大到一定水平点,充电效率下降;
(7)在选择超级电容器充电电流时,应该综合考虑超级电容器的充电时间、储能量和充电效率等因素,以期满足用户实际需求并实现超级电容器的最佳配置;
(8)经过3000次循环,混合电容器的电容和能量密度几乎无衰减,说明电容器具有稳定的充放电性能,循环寿命长;
(9)开始循环时超级电容器漏电流较大,30min后基本趋于平稳,表明电容器性能在循环后趋于稳定,具有较长的循环寿命。
超级电容器相关文章:超级电容器原理
评论