超级电容器技术及应用

超级电容器技术及其应用孟海军2014年12月17日主要内容一、超级电容器产业发展背景二、超级电容器特性简介三、新能源交通应用四、新能源及其它应用五、军事应用六、未来展望一、超级电容器产业发展背景2013年全球电动汽车销量共计22.55万辆（纯电动占57.34%），较2012年增长73.95%，其中中国占6.03%。2014年随国家整治污染和产业政策牵引，电动汽车应用推广获得进一步提速；这带动了锂离子电池和超级电容器等动力电源的高速发展。一、超级电容器产业发展背景Maxwell公司LS公司NessCap公司奥威科技Nippon公司…Saft公司一、超级电容器产业发展背景国内超级电容器市场蓬勃发展，保持了高速增长势态；国外知名企业大力拓展国内市场，并占据了重要市场份额；国内企业从技术、产业和应用方面均取得重要成就，特别是锂离子电容器等为代表的能量型超级电容器方面，具有一定的领先优势；国内超级电容器产业已具备了爆发性增长的条件。天津力神南通江海南车新能源北京集星…二、超级电容器特性简介二、超级电容器特性简介EDLCLICLIB正极材料活性炭活性炭LiCoO2/LiMnO4负极材料活性炭石墨/硬炭石墨电解液有机溶剂有机溶剂有机溶剂储电原理离子吸附脱附正极：等同于EDLC负极：Li离子反应Li离子反应温度范围-40~70℃-25~55℃-25~45℃最大工作电压2.3~2.7V3.8~4.2V3.7~4.2V最大放电倍率～1,000C～500C～50C大出力特性◎◎△充放电次数◎（50万次以上）◎（3万次以上）△（1000~2000次）自放电×◎◎安全性◎◎△能量密度△（5~7WH/Kg）○（10~60WH/Kg）◎（~150WH/Kg）二、超级电容器特性简介•＋•－•＋•－•＋•－•＋•－•＋•－•＋•－•－•＋•＋•＋•－•－•－•－•＋•＋•＋•－•－•－•－•－•－•－•＋•＋•＋•＋•＋•－•－•－•－•－•＋•＋•＋•＋•＋•活性炭•活性炭•含锂金属氧化物•EDLC•LIB•e-•+•+•+•+•e-•e-•e-•充電•放電•LIC•－•－•－•－•－•－•＋•－•＋•－•＋•－•＋•活性炭•石墨类•石墨类、金属氧化物类二、超级电容器特性简介超级电容器技术关键材料技术石墨烯、碳纳米管等电极材料技术；先进电解液技术…超级电容器器件技术电性能设计技术；电极工艺技术…组件技术热设计技术；电均衡技术…应用技术电动汽车应用设计…二、超级电容器特性简介超级电容器的适用场合短时间高功率输出t1min适合使用功率型超级电容器1mint15min适合使用能量型超级电容器t30min适合使用锂离子电池长寿命高可靠需求风电变桨/UPS后备电源…频繁快速充放电需求能量回收/各类电网调峰…低温工作需求车辆/油机低温启动…三、新能源交通应用123起停式深度混合动力大客车纯电动公交车有机对称型超级电容器有机对称型超级电容器锂离子电容器锂离子电容器三、新能源交通应用起停式电动汽车三、新能源交通应用混合动力大客车混合动力汽车的驱动部分由超级电容电池系统和燃油系统组成。在起步、加速和低速行驶时由超容系统提供动力。在怠速、制动、滑行时可进行能量回收。与传统汽车相比节油率可达到30%左右，减少污染70％。三、新能源交通应用纯电动公交车图示为奥威科技有限公司为上海世博会研制的无“辫子”的超级电容器纯电动汽车，每隔2-3英里就会在指定的充电站---兼具公交车站的功能---进行充电，只需几分钟，位于公交车座位下的超级电容器就充电完成了。超级电容器公交车也可以从刹车系统中获取能量，这类公交车使用的电力比无轨电车平均少40%，能耗仅为燃油车的1/3。三、新能源交通应用电动汽车其它应用三、新能源交通应用车辆低温启动利用超级电容器的优秀低温特性，确保车辆在低温条件下一次顺利启动成功。三、新能源交通应用脱线运行有轨电车图示为南车新能源和奥威科技开发的脱线运行有轨电车，代表了现代有轨电车技术发展的方向。轨道交通应用：三、新能源交通应用轨道交通应用方面：能量回收轨道交通站间距短，列车启动、制动频繁，制动能量相当可观。利用超级电容器优秀的大功率充放电特性，回收制动能量，能够节省了约30％的能量。三、新能源交通应用拓展应用混合动力起重机械/港口机械超级电容混合动力起重机械和港口机械，能够大幅度降低能耗，减少空气和噪音污染。三、新能源交通应用混合动力工程机械超级电容混合动力工程机械，同样能够大幅度降低能耗，减少空气和噪音污染。三、新能源交通应用纯电动叉车和高尔夫车超级电容纯电动叉车和高尔夫车经济性好、使用便捷、工作寿命长、大幅缩减充电设备建设。在可并微电网中的应用四、新能源及其它应用●提供短时供电有助于从并网模式向孤网模式转换时两种模式的平稳过渡。●用作能量缓冲装置可在负荷低落时储存电源的多余电能，在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求；●改善微电网的电能质量对于瞬时停电、电压骤升、骤降等暂态问题，利用超级电容器可提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压波动。超级电容器储能系统作为主要储能设备之一，配合锂离子电池或铅酸电池储能系统接入电网380V侧，利用超级电容器的快速响应和功率特性用于微电网的平滑切换和削峰填谷等。四、新能源及其它应用利用超级电容器的高可靠性和长寿命，将其作为风电设备的变桨电源。风电变桨电源风电变桨电源UPS后备电池四、新能源及其它应用功率型和能量型超级电容器分别可以用于1min和15min的后备电源上，满足数据中心、电网等对UPS性能和成本的要求。UPS起作用往往是在掉电或电网电压瞬时塌波的最初几秒到几分钟内起决定作用。在数据保护的备份系统中，需UPS提供的时间相对很短。超级电容其输出电流几乎没有延迟地上升到高达数百安培甚至上千安培，在很短的时间内就可以实现能量存储，10年以上不需维护，使UPS真正实现免维护。产品优势1.使用寿命长，反复充电50万次;2.工作温度范围宽-40～+65℃;3.放电速度快，瞬间放电电流可达几百至上千安培;4.在线并联热备，响应时间10ms，电压自适应调节5.免维护，绿色环保；UPS直流屏四、新能源及其它应用在电力系统中，直流电源屏为变配电设备提供直流电源，主要用在高压开关的分合闸等方面，其性能直接影响整个供电系统的安全运行。超级电容器利用自身优势，与蓄电池组组成复合电源，超容承担冲击负荷，蓄电池承担经常性负荷，从而延长蓄电池使用寿命，降低故障，减少成本。电信应用四、新能源及其它应用电信工业结合超级电容器电子电路开发的电能超高速缓冲存储器(Powercache)储能模式，提供几秒钟的备用电源，同时还桥接长期电源。这种电信产品具有十分卓越的优点——不须维修地工作10年，能快速再充电和抗干扰能力强。节能电梯四、新能源及其它应用超级电容节能电梯节能显著、具备后备电源功能，成本可通过节约电费回收，应用空间极为广阔。电源控制器智能控制器超级电容组电机外电源双向DC/DC航空应用四、新能源及其它应用超级电容器被用作民航飞机舱门提供爆发动力电源，使用寿命可达25年，140000飞行小时。在地面上，正常操作和紧急操作时，门必须被打开，在飞行时，门必须被关上并锁紧，滑道必须在紧急情况被需要的时候膨胀。医疗设备脉冲电源四、新能源及其它应用利用超级电容器高比功率特性，在医疗设备中用作脉冲电源，如激光医疗设备曝光瞬间功率高达20kW，对电源功率特性要求极高。相比电解电容，超级电容容量大、功率密度高，极大提高了医疗设备的稳压效果及放射次数。其它应用四、新能源及其它应用用于电动工具：功率大、充电快、寿命长。电动玩具：用于电动玩具：提供瞬时大电流；用在智能三表：应用非常成熟、市场规模非常可观。军用车辆及发电机组温启动/起动领域五、军事应用超级电容器卓越的低温倍率和放电深度特性，可广泛和深度应用于各类军用车辆低温启动，以及中大功率汽/柴油发电机组低温起动应用领域。五、军事应用军用飞机起动军用飞机（包含直升飞机）起动用电源车存在的主要问题是在某些冲击或浪涌状态下发电机输出功率无法满足要求，造成发动机转速和输出功率急速下降甚至熄火。对于超电+蓄电池起动车，可直接和蓄电池并联超级电容器模组，以提供飞机发动机起动瞬间所需的大电流，提高起动性能和战时便携机动性能，缩短启动时间，降低瞬间大电流对蓄电池造成的损害。五、军事应用大功率伺服电源近防武器的快速响应能力需要超级电容器为其伺服机构提供超大功率、长寿命供电。五、军事应用电子/信息装备电源超级电容器应用于电子/信息装备，可以达到如下效果：稳压，提高供电质量；作后备电源，防掉电；用作脉冲电源，减小电源系统的体积和重量。五、军事应用战车混合电传动系统采用超级电容混合电传动技术的重型战术卡车，燃油消耗率降低了20%，并且可以提供100千瓦的可输出功率。停车时发电机能够为一个指挥控制中心或一个野战医院提供所需的电力保障。六、未来展望在国家产业政策的引导下，经过“产学研用”合作创新模式发展，我国超级电容器技术和产业必将进入一个高速发展阶段，促进超级电容器市场的规模和应用领域不断拓展，共同推动我国超级电容器整个产业链的迅速增长。结束语一、超级电容器产业发展背景二、超级电容器特性简介三、新能源交通应用四、新能源及其它应用五、军事应用六、未来展望请批评指正，谢谢！