電容儲(chǔ)能

argin: 5px 0px; line-height: 1.75em; font-size: 14px; font-family: sans-serif; text-indent: 2em;">技術(shù)介紹

電容儲(chǔ)能的機(jī)理為雙電層電容以及法拉第電容，其主要形式為超級(jí)電容儲(chǔ)能，超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件，它相比傳統(tǒng)電容器有著更高的能量密度，靜電容量能達(dá)千法拉至萬法拉級(jí)；相比電池有著更高的功率密度和超長的循環(huán)壽命，因此它兼具傳統(tǒng)電容器與電池的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景廣闊的化學(xué)電源。它主要是利用電極／電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面、內(nèi)部快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實(shí)現(xiàn)電荷和能量的儲(chǔ)存的。因此，超級(jí)電容器具有充電速度快、大電流放電性能好、超長的循環(huán)壽命、工作溫度寬等特點(diǎn)。超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要由超級(jí)電容組和雙向DC／DC變換器以及相應(yīng)的控制電路組成。

機(jī)理類型

根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理的不同可以分為以下兩類：

雙電層電容

是在電極／溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個(gè)電極／溶液體系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時(shí)對某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)（分散層）產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。

法拉第準(zhǔn)電容

其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子（如H＋、OH－、K＋或Li＋）在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極／溶液界面時(shí)，會(huì)通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。

技術(shù)線路

超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的技術(shù)核心在于超級(jí)電容器組內(nèi)部的均壓拓?fù)浜涂刂撇呗砸约半p向DC／DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略。

超級(jí)電容器的串并聯(lián)

超級(jí)電容的單體額定電壓一般為2．3V，2．5V或2．7V，其電壓等級(jí)相對于其他儲(chǔ)能裝置是很低的。因此需對其串聯(lián)以提高超級(jí)電容器組的電壓等級(jí)，根據(jù)電路原理，電容越穿越小，在實(shí)際使用中，為了兼顧電壓等級(jí)與容量要求通常是對超級(jí)電容器串并聯(lián)來組成超級(jí)電容器組。

超級(jí)電容器常用串聯(lián)均壓電路

超級(jí)電容器串聯(lián)電壓均衡方法可以分成兩大類：一類是通過阻性器件消耗能量的方式，如穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法；另一類是通過儲(chǔ)能器件進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的方式，如DC／DC變換器法等。穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法通過消耗能量達(dá)到電容器的電壓平衡，必然會(huì)降低超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，而且當(dāng)超級(jí)電容器的充電電流較大時(shí)，采用穩(wěn)壓管或者開關(guān)電阻法將很難達(dá)到電壓均衡的要求，一方面大功率的阻性器件增大了體積，不便安裝，另一方面消耗的能量增加，溫度過高將給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來安全隱患，降低了系統(tǒng)的可靠性。此外，穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法只能在充電的過程中實(shí)現(xiàn)電壓均衡，具有一定的局限性。能量轉(zhuǎn)移型電壓均衡方法采用儲(chǔ)能器件進(jìn)行電壓均衡，是目前超級(jí)電容器串聯(lián)電壓均衡技術(shù)的發(fā)展方向。

1、多飛渡電容器均壓法

多飛渡電容器電壓均衡法是利用多個(gè)容量很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的一部分能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

2、單飛渡電容器電壓均衡法

單飛渡電容器電壓均衡法，顧名思義，它是利用一個(gè)容量很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

3、平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法

電感儲(chǔ)能電壓均衡方法是采用電感儲(chǔ)能器件作為儲(chǔ)能單元的一種電壓均衡方法，一種稱為平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法，另一種稱為相鄰比較式電感儲(chǔ)能電壓均衡法。

雙向DC／DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為儲(chǔ)能元件通過并網(wǎng)變流器接入電網(wǎng)系統(tǒng)，超級(jí)電容接入并網(wǎng)變流器的直流母線有兩種方式：一種是直接接到逆變器的直流母線；另一種是通過功率變換器接入直流母線。超級(jí)電容器通過串并聯(lián)構(gòu)成儲(chǔ)能陣列，由于超級(jí)電容器在充放電過程中，其兩端電壓變化范圍很大，因此必須通過功率變換器接入直流母線，使并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)輸送功率時(shí)，功率變換器能夠提供恒定的直流母線電壓。因此接入功率變換器后，具有超級(jí)電容電壓等級(jí)要求低，利用率高等優(yōu)點(diǎn)。針對超級(jí)電容儲(chǔ)能器具有功率雙象限流動(dòng)進(jìn)行儲(chǔ)能和釋能的特點(diǎn)，功率變換器必須采用電流能夠雙象限流動(dòng)的變流器——雙向DC／DC變流器。

雙向DC／DC變流器按隔離和非隔離分為兩類。

1、非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器

把非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器的功率二極管變?yōu)殡p向開關(guān)后具有同樣的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器。

2、BUCK－BOOST雙向DC／DC變流器

BUCK－BOOST雙向DC／DC變流器其能量經(jīng)過電感Lsc儲(chǔ)存和傳遞，不適用于大功率場合應(yīng)用。同半橋型雙向DC／DC變流器一樣，可以使電感電流工作于斷續(xù)狀態(tài)，但流過開關(guān)管的電流峰值會(huì)變大，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

3、雙全橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器

雙全橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器，這種電路多應(yīng)用于電源側(cè)為電流源的大功率場合，由于全橋變換，各個(gè)功率器件的電壓電流應(yīng)力減小，同樣的器件可以傳輸更大的功率，適合于大功率場合應(yīng)用。

4、雙半橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器

雙半橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器，其相對于全橋變流器，要求功率器件的電流容量大，而且其支撐電容要求比較高，適合于中功率高壓應(yīng)用。

充電控制電路

主電路為電壓型、交直交能量轉(zhuǎn)換方式的變頻器，因整流與逆變電路之間有大容量電容的儲(chǔ)能回路，因電容兩端電壓不能突變的特性，在上電初始階段，電容器件形同“短路”，將形成極大的浪涌充電電流，會(huì)對整流模塊很大的電流沖擊而損壞，也會(huì)使變頻器供電端連接的空氣斷路器因過流而跳閘。

常規(guī)處理方式，是在整流和電容儲(chǔ)能回路之間串入充電了限流電阻和充電接觸器（繼電器），對電容充電過程的控制是這樣的：

變頻器上電，先由充電電阻對電容進(jìn)行限流充電，抑制了最大充電電流，隨著充電過程的延伸，電容上逐漸建立起充電電壓，其電壓幅值達(dá)到530V的80％左右時(shí)，出現(xiàn)兩種方式的控制過程，一為變頻器的開關(guān)電源電路起振，由開關(guān)電源的24V輸出直接驅(qū)動(dòng)充電繼電器，或由此繼電器，接通充電接觸器的線圈供電回路，充電接觸器（繼電器）閉合，當(dāng)充電限流電阻短接，變頻器進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)。電容器上建立一定電壓后，其充電電流幅度大為降低，充電接觸器的閉合／切換電流并不是太大，此后儲(chǔ)能電容回路與逆變電路的供電，由閉合的接觸器觸點(diǎn)供給，充電電阻被接觸器常開觸點(diǎn)所短接。二是隨著電容上充電電壓的建立，開關(guān)電源起振工作，CPU檢測到由直流回路電壓檢檢測電路送來電壓幅度信號(hào)，判斷儲(chǔ)能電容的充電過程已經(jīng)完畢，輸出一個(gè)充電接觸器動(dòng)作指令，充電接觸器得電閉合，電容上電充電過程結(jié)束。

部分變頻器及大功率變頻器，整流電路常采用三相半控橋的電路方式，即三相整流橋的下三臂為整流二極管，而上三臂采用三只單向可控硅，用可控硅這種“無觸點(diǎn)開關(guān)”，代替了充電接觸器。節(jié)省了安裝空間，提高了電路的可靠性。

應(yīng)用

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，脈沖電源等。

應(yīng)用于電動(dòng)汽車

超級(jí)電容器用于混合電動(dòng)汽車中，其應(yīng)用原理圖如圖1所示，由于汽車在行駛過程中經(jīng)常需要加速啟動(dòng)或減速剎車，由于加速電動(dòng)機(jī)需要很大的啟動(dòng)電流，大的啟動(dòng)電流對不論是蓄電池還是燃料電池都會(huì)造成大的傷害；而汽車進(jìn)行減速制動(dòng)時(shí)，根據(jù)研究制動(dòng)所需要的能量占驅(qū)動(dòng)能量的50％。如果加入超級(jí)電容儲(chǔ)能器對汽車啟動(dòng)加速和剎車減速進(jìn)行能量管理，既可以降低對電動(dòng)汽車中蓄電池或燃料電池的傷害，又可以回收多余的能量，延長電動(dòng)汽車的行駛里程。

應(yīng)用于風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能

太陽能和風(fēng)能是最方便、最潔凈的能源，目前普遍采用蓄電池作為貯能或緩沖裝置，其存在的最大問題就是運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)大、使用壽命短。超級(jí)電容器因其具有數(shù)萬次以上的充放電循環(huán)壽命和完全免維護(hù)、高可靠性等特點(diǎn)，使得替換蓄驅(qū)動(dòng)軸電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)超級(jí)電容儲(chǔ)能器輸出機(jī)械能輸入機(jī)械能放電充電電池成為一種必然趨勢。超級(jí)電容器在白天陽光充足或風(fēng)力強(qiáng)勁的條件下吸收能量，在夜晚或風(fēng)力較弱時(shí)放電，以維持系統(tǒng)平衡。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

應(yīng)用與電力系統(tǒng)

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前主要為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。在現(xiàn)實(shí)的供電系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用及大型電機(jī)的突然啟停，電網(wǎng)電壓諧波會(huì)增加，出現(xiàn)波形畸變，電壓瞬間跌落等問題，這會(huì)對需要高質(zhì)量的供電設(shè)備造成傷害，為了提高供電質(zhì)量，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)作為儲(chǔ)能元件來改善電能質(zhì)量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，主要分為：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），配電靜止同步補(bǔ)償器（D－STATCOM），統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQR），不間斷電源（UPS）。如圖3所示。

應(yīng)用于脈沖電源

移動(dòng)通信基站、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)以及軍用裝備，尤其是野戰(zhàn)裝備，大多不能直接由公共電網(wǎng)供電，而需要配置發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能裝置。未來將引入激光武器、粒子束武器、微波武器、電磁炮等新概念武器的脈沖功率系統(tǒng)通過充電系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收能量，如中等能量激光器和高功率微波武器需要100kW 到500kW 的脈沖電功率，并在毫秒數(shù)量級(jí)以內(nèi)大功率釋放脈沖電能，脈沖功率源技術(shù)的研究方向，往往是在追求如何產(chǎn)生更高的瞬時(shí)輸出功率，提高效能。高功率電源的核心技術(shù)問題是研究高儲(chǔ)能密度（kJ／kg）和高功率密度（kW／kg ）的脈沖功率儲(chǔ)能系統(tǒng)。超級(jí)電容器的高功率密度輸出特性，可以滿足這些系統(tǒng)對功率的要求。