Giới thiệu về siêu tụ điện

Với sự phát triển của kinh tế xã hội, con người ngày càng chú ý hơn đến năng lượng xanh và môi trường sinh thái. Là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng mới, siêu tụ điện ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý vì những ưu điểm không thể thay thế. Các kỹ sư đã bắt đầu thay thế pin truyền thống bằng siêu tụ điện trong một số thiết kế đòi hỏi giải pháp năng lượng cao, hiệu quả cao. Khiếm khuyết trong công nghệ pin Các loại pin mới như Li-ion và NiMH có thể cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng đáng tin cậy và đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Như chúng ta đã biết, pin hóa học lưu trữ điện tích thông qua các phản ứng điện hóa, dẫn đến sự truyền điện tích Faraday. Chúng có tuổi thọ ngắn và bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ. Đây cũng là khó khăn mà các nhà thiết kế pin axit-chì (ắc quy) gặp phải.

Đồng thời, dòng điện cao có thể ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của các loại pin này, vì vậy đối với một số ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ cao và độ tin cậy cao, các loại pin dựa trên phản ứng hóa học này bộc lộ nhiều nhược điểm khác nhau. Đặc điểm và ưu điểm của siêu tụ điện Nguyên lý của siêu tụ điện không phải là một công nghệ mới. Hầu hết các siêu tụ điện thông thường đều có cấu trúc hai lớp điện. So với các tụ điện điện phân, siêu tụ điện này có mật độ năng lượng và mật độ công suất rất cao. So với tụ điện truyền thống và pin thứ cấp, siêu tụ điện có khả năng lưu trữ điện tích cao hơn tụ điện thông thường và có đặc tính tốc độ sạc và xả nhanh, hiệu suất cao, không gây ô nhiễm môi trường, tuổi thọ dài, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng và độ an toàn cao. . Bên cạnh khả năng sạc và xả nhanh chóng, một tính năng quan trọng khác của siêu tụ điện là trở kháng thấp. Vì vậy, khi siêu tụ điện được phóng điện hoàn toàn, nó sẽ thể hiện đặc tính điện trở nhỏ và nếu không có giới hạn, nó sẽ kéo dòng điện có thể có của nguồn.

Vì vậy, phải sử dụng bộ sạc có dòng điện hoặc điện áp không đổi. 10 năm trước, siêu tụ điện chỉ được bán với số lượng rất ít mỗi năm và giá rất đắt, khoảng 1 đến 2 USD/farad. Hiện nay, siêu tụ điện đã được cung cấp ra thị trường với số lượng lớn dưới dạng sản phẩm tiêu chuẩn và giá thành đã giảm đi rất nhiều, trung bình là 0,01. ~$0,02/farad. Trong vài năm gần đây, siêu tụ điện đã bắt đầu thâm nhập vào nhiều lĩnh vực ứng dụng, chẳng hạn như điện tử tiêu dùng, công nghiệp và giao thông vận tải. Cấu trúc của siêu tụ điện Mặc dù trên thế giới có nhiều nhà sản xuất siêu tụ điện có thể cung cấp nhiều loại sản phẩm siêu tụ điện, nhưng hầu hết các sản phẩm đều dựa trên cấu trúc hai lớp điện tương tự. Cấu trúc của siêu tụ điện tương tự như cấu trúc của tụ điện. Rất giống nhau, điểm khác biệt chính của chúng là vật liệu điện cực. Các điện cực của siêu tụ điện đời đầu được làm bằng carbon. Vật liệu điện cực carbon có diện tích bề mặt lớn và điện dung phụ thuộc vào khoảng cách giữa diện tích bề mặt và các điện cực. Nó có thể rất lớn, hầu hết các siêu tụ điện có thể ở mức farad và phạm vi điện dung chung là 1 ~ 5000F. Sử dụng siêu tụ điện Siêu tụ điện có rất nhiều ứng dụng. Kết hợp với các chất có mật độ năng lượng cao như pin nhiên liệu, siêu tụ điện có thể giải phóng năng lượng nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu năng lượng cao, cho phép pin nhiên liệu chỉ được sử dụng làm nguồn năng lượng. Hiện tại, mật độ năng lượng của siêu tụ điện có thể lên tới 20kW/kg, điều này đã bắt đầu chiếm lĩnh thị trường giữa tụ điện và pin truyền thống này.

Trong những ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao nhưng yêu cầu năng lượng thấp, siêu tụ điện có thể được sử dụng để thay thế pin hoặc siêu tụ điện và pin có thể được kết hợp cho những ứng dụng có yêu cầu năng lượng cao để có thể sử dụng kích thước nhỏ hơn. , pin tiết kiệm hơn. Siêu tụ điện có giá trị ESR rất thấp, cho phép chúng tạo ra dòng điện lớn và tiêu thụ dòng điện lớn một cách nhanh chóng. So với nguyên lý sạc hóa học, nguyên lý làm việc của siêu tụ điện giúp hiệu suất của sản phẩm này ổn định hơn và do đó, tuổi thọ của siêu tụ điện dài hơn. Siêu tụ điện là nguồn năng lượng lý tưởng cho các thiết bị cần sạc nhanh, chẳng hạn như dụng cụ điện và đồ chơi. Một số sản phẩm phù hợp với hệ thống pin/siêu tụ điện lai. Việc sử dụng siêu tụ điện có thể tránh được việc sử dụng pin cồng kềnh để thu được nhiều năng lượng hơn. Một ví dụ là máy ảnh kỹ thuật số trong thiết bị điện tử tiêu dùng, trong đó việc sử dụng siêu tụ điện cho phép máy ảnh kỹ thuật số sử dụng pin kiềm giá rẻ (thay vì pin Li-ion đắt tiền). Dải điện áp định mức của các tế bào siêu tụ điện (tế bào) là 2,5 đến 2,7V, vì vậy nhiều ứng dụng yêu cầu sử dụng nhiều tế bào siêu tụ điện. Khi kết nối nối tiếp các ô này, kỹ sư thiết kế cần xem xét sự cân bằng và sạc giữa các ô. Bất kỳ siêu tụ điện nào cũng sẽ phóng điện qua điện trở song song bên trong khi nó được cấp điện. Dòng phóng điện này được gọi là dòng rò, sẽ ảnh hưởng đến khả năng tự phóng điện của bộ siêu tụ điện.

Tương tự như một số công nghệ pin thứ cấp, điện áp của siêu tụ điện cần được cân bằng khi sử dụng nối tiếp vì có dòng điện rò rỉ và kích thước của điện trở shunt bên trong sẽ quyết định sự phân bổ điện áp trên các tế bào siêu tụ điện được nối nối tiếp. Khi điện áp trên siêu tụ ổn định, điện áp trên mỗi tụ sẽ thay đổi theo dòng điện rò chứ không thay đổi theo giá trị điện dung. Dòng rò càng lớn thì điện áp định mức càng nhỏ, ngược lại, dòng rò càng nhỏ thì điện áp định mức càng cao. Điều này là do dòng điện rò rỉ làm cho tế bào siêu tụ điện phóng điện, làm giảm điện áp, từ đó ảnh hưởng đến điện áp của các tế bào khác nối tiếp với nó (giả sử các tế bào này nối tiếp được cấp nguồn bởi cùng một điện áp không đổi). Để bù cho sự biến đổi của dòng điện rò, phương pháp phổ biến là mắc song song một điện trở bên cạnh mỗi thiết bị để điều khiển dòng điện rò của toàn bộ thiết bị. Phương pháp này làm giảm hiệu quả sự biến đổi của điện trở song song tương ứng giữa các đơn vị.

Một phương pháp được đề xuất khác là cân bằng tế bào chủ động, trong đó mỗi tế bào được theo dõi và cân bằng tích cực với nhau khi có sự thay đổi điện áp. Cách tiếp cận này giúp giảm tải thêm cho thiết bị, giúp công việc hiệu quả hơn. Nếu điện áp vượt quá điện áp định mức của thiết bị, tuổi thọ của thiết bị sẽ bị rút ngắn. Đối với các siêu tụ điện có độ tin cậy cao, làm thế nào để duy trì điện áp trong phạm vi yêu cầu là điểm mấu chốt và điện áp sạc phải được kiểm soát để đảm bảo không vượt quá điện áp định mức của từng tế bào.