超级电容器构造及能量说明

超级电容器是能够存储大量电荷的电能存储设备.

与以热量形式耗散能量的电阻器不同，理想的电容器不会松动它的能量。我们还看到，最简单的电容器形式是两个平行的导电金属板，它们用绝缘材料隔开，如空气，云母，纸张，陶瓷等，并称为电介质一段距离“d”。 / p>

电容器存储能量是因为它们能够存储电荷，电荷存储在电容器上，具体取决于电压施加在其板上的电压 V ，电压越大，电容器将存储的电荷越多：Q∞V。

典型的超级电容器

此外，电容具有恒定的比例，称为电容，符号 C ，它表示电容器存储电荷的能力或容量，其电荷量取决于电容器电容值为：Q∞C。

然后我们可以看到电荷 Q ，电压之间存在关系V 和电容 C ，电容越大，电容器上存储的电荷量越大，电压相同，我们可以将电容器的这种关系定义为：

电容器充电

其中： Q （充电，以库仑计）= C （电容，输入法拉数乘以 V （电压，单位为伏特）

电容单位为库仑/伏特，也称法拉（ F ） [以M.法拉第命名]，其中一个法拉定义为电容器的电容，需要1库仑电荷才能在两个板之间建立1伏的电位差。

但是传统的对于大多数实际电子应用来说，法拉电容器非常大，因此微法拉（μF），纳法（ nF ）和皮法（ pF

）常用于：

微法拉（μF）1μF= 1 / 1,000,000 = 0.000 001 = 10 -6 F

纳法拉（nF） 1nF = 1 / 1,000,000,000 = 0.000000001 = 10 -9 F

Picofarad（pF） 1pF = 1 / 1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10 -12 F

然而，还有另一种类型的电容器，称为超级电容器或超级电容器，它可以提供从几毫法（mF）到十几平方英寸电容的值，非常小大小允许在它们的板之间存储更多的电能。

在我们关于电容和电荷的教程中，我们看到存储在电容器中的能量由下式给出：

其中： E 是以焦耳为单位存储在电场中的能量， V 是电路板上的电位差， C 是电容器的电容，单位为法拉，定义为：

其中：ε是pl之间材料的介电常数ates， A 是板的面积， d 是板的分离。

Ultracapacitors 是另一个电容器的类型，其构造为具有大的导电板，称为电极，表面积（ A ）以及它们之间的非常小的距离（ d ）。与使用诸如聚四氟乙烯，聚乙烯，纸等固体和干燥介电材料的传统电容器不同，超级电容器在其电极之间使用液体或湿电解质，使其更像是类似于电解电容器的电化学装置。

尽管超级电容器是一种电化学装置，但其电能的存储不涉及化学反应。这意味着超级电容器有效地保持静电装置，如图所示，在其两个导电电极之间以电场的形式存储其电能。

超级电容器构造

双面涂层电极由活性导电碳，碳纳米管或碳凝胶形式的石墨碳制成。称为隔膜的多孔纸膜使电极保持分开但允许正离子通过而阻挡较大的电子。纸分离器和碳电极都浸有液体电解质，在两者之间使用铝箔作为集电器，与超级电容器焊片形成电连接。

双层结构碳电极和隔板可能非常薄，但当它们盘绕在一起时，它们的有效表面积达到数千平方米。然后，为了增加超级电容器的电容，很明显我们需要增加接触表面积 A （m 2 ）而不增加电容器物理尺寸，或使用特殊类型的电解质来增加可用的正离子以增加电导率。

然后超级电容器因其高电容值而成为优秀的储能设备由于距离 d 的距离非常小，或者它们的板与电极分离，因此在一层表面上形成高表面积 A ，可达数百法拉。电解离子形成双层。这种结构有效地产生了两个电容器，每个碳电极一个，给超级电容器的次要名称“双层电容器”形成两个串联的电容器。

然而，这个小尺寸的问题是电压电容器两端的电阻只能非常低，因为超级电容器电池的额定电压主要由电解质的分解电压决定。然后，典型的电容器单元具有1到3伏的工作电压，这取决于所使用的电解质，这可以限制它可以存储的电能量。

为了将电荷存储在合理的电压下超级电容器必须串联连接。与电解电容和静电电容不同，超级电容的特点是端电压低。为了将额定端电压增加到几十伏，超级电容器电池必须串联连接或并联连接以获得更高的电容值，如图所示。

增加超级电容器值

其中： V CELL 是一个单元格的电压， > C CELL 是一个电池的电容。

由于每个电容器电池的电压约为3.0伏，将更多的电容器电池串联在一起会增加电压。虽然并联连接更多电容器单元将增加其电容。然后我们可以将超级电容器组的总电压和总电容定义为：

其中： M 是列数， N 是行数。另请注意，类似电池，超级电容器和超级电容器具有明确的极性，正极端子标记在电容器主体上。

超级电容器实例No1

需要一个5.5伏，1.5法拉的超级电容器作为用于电子电路的储能备用装置。如果超级电容器由单独的2.75v，0.5F电池制成，则计算所需的电池数量和阵列的布局。

因此，阵列将有两个串联的2.75v电容单元，以提供所需的5.5v。

然后阵列将有六个单独的列，由两行六个组成，从而形成一个超级电容器，其中包含一个6 x 2阵列。

6× 2超级电容器阵列

超级电容器能量

与所有电容器一样，超级电容器是一种能量存储设备。电能作为电荷存储在其板之间的电场中，并且由于该存储的能量，在两个板之间存在电势差，即电压。在充电期间（电流从连接的电源流过超级电容器），电能存储在其板之间。

一旦超级电容器充电，电流就会停止从电源流出，超级电容器的端电压等于电源电压。因此，即使从电源中取出电荷，充电的超级电容器也会存储这些电能，直到需要充当储能装置。

当放电（电流流出）时，超级电容器会改变储存的电能。将能量转化为电能以提供连接的负载。然后超级电容器本身不消耗任何能量，而是根据需要存储和释放电能，超级电容器中存储的能量与电容器的电容值成比例。

如前所述，存储的能量与电容 C 成正比，电压 V 的平方在其端子上给出。

其中： E 是存储在焦耳中的能量。然后对于我们上面的超级电容器示例，数组存储的能量数量如下：

然后我们的超级电容器可存储的最大能量为22.7焦耳，最初由5.5伏充电电源供电。这种储存的能量仍然作为电解质电介质中的电荷可用，并且当连接到负载时，超级电容器整个22.69焦耳的能量可用作电流。显然，当超级电容器完全放电时，存储的能量为零。

然后我们可以看到理想的超级电容器不会消耗或耗散能量，而是从外部充电电路获取电能来存储能量。它的电解质场然后在向负载供电时返回储存的能量。

在上面的简单示例中，超级电容器存储的能量约为23焦耳，但电容值较大且额定电压较高，超级电容器的能量密度非常大，使其成为储能装置的理想选择。

事实上，现在，混合动力电动汽车（包括配方）正在使用额定电流为数千法和几百伏的超级电容器。 1）作为用于再生制动系统的固态能量存储装置，因为它们可以在制动期间快速地发出和接收能量并且之后加速。超级和超级电容器也用于可再生能源系统，以取代铅酸电池。

超级电容器概述

我们已经看到超级电容器是电化学的由两个多孔电极组成的装置，通常由浸入电解质溶液中的活性炭组成，该电解质溶液静电储存电荷。这种布置有效地产生了两个电容器，每个电极一个，串联连接。

超级电容器的电容可达数百法拉，所有这些电容都在非常小的物理尺寸内，并且可以实现比电容器高得多的电容密度。电池。然而，超级电容器的额定电压通常小于约3伏，因此必须将多个电容器串联和并联组合以提供任何有用的电压。

超级电容器可用作类似于电池，实际上被归类为超级电容器电池。但与电池不同，它们可以在短时间内实现更高的功率密度。它们用于许多混合动力汽油车和燃料电池驱动的电动车辆，因为它能够快速释放高压然后再充电。但是，通过操作具有燃料电池和电池峰值功率需求的超级电容器，可以更有效地控制瞬态负载变化。