钜大LARGE | 点击量：2393次 | 2022年03月01日
后备电源新宠--法拉电容如何让锂离子电池走向末路
在环境污染变本加厉的今天,越来越多的人认识到:人类属于地球,但地球不属于人类.所以环保产品将会成为这个世纪的新宠儿,更加受到人们的青睐!
法拉电容替代锂电池已是大势所趋,也必将带来行业革命!很多人对法拉电容的用途还不太了解,它主要用于后备电源脉冲功率补偿等,专业替代锂电池,环保而且寿命长.以下为其已经应用比较成熟的主要领域:
超级电容器在智能水表上的应用
一、在智能水表中的应用(组合5.0V/0.47F或5.5V/1F)
传统的智能水表,在控制水阀开启和关断时,普遍采用的方法是内装锂电池.锂电池的优点在于重量轻、能量大、自放电率低等.虽然如此,由于智能水表都没有设计再充电电路,锂电池使用到一定时间后,将无法为控制电路提供能量,不得不更换电池.上门为用户更换电池或水表,这对于水表生产厂家和自来水公司来说都是一件繁琐的事.更危险的是,电池电量不足的情况出现是随机的,如果不精确和及时的监测电池电量,将无法可靠的关断水阀,造成无法计费、逃水现象等情况出现.这是内部安装了锂电池的智能水表的致命缺点,直接影响到它的推广和使用.为了解决这一制约智能水表发展的瓶颈问题,可以用超级电容代替锂电池应用于智能水表.超级电容是一种无源器件,介于电池与普通电容之间,具有电容的大电流快速充放电特性,同时也有电池的储能特性,并且重复使用寿命长,放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流,从而为设备提供电源.这种方案是用超级电容替换锂电池,封装在水表中,同时外接干电池供电.平时干电池提供水表电路所需能量和对超级电容充电,在需要开启水阀时,先检测超级电容是否存储足够能量,如果没有存储足够能量,将不开启水阀,当检测它存储足够能量时,由外接干电池提供能量将水阀开启;在需要关断水阀时,如果外接电池不能提供能量将水阀关断,那么超级电容将在此刻提供能量来关断水阀.如同一个储水箱,平时将水存储起来,在停水时提供必要的水.
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
图2是应用示意图.正常情况下,电池通过电阻R、二级管D1向负载和超级电容充电.电阻R的作用是限制电流过大,因为超级电容内阻很小,充电时电流较大可能造成电池损坏.二级管D1防止反向电流.当电池电压过低,或突然断电时(如取下电池),由超级电容继续为电路提供电源,同时,超级电容存储的能量足以关断阀门.
超级电容在智能电表上的应用
目前,国内电度表功能日益智能化,在这个网络信息高速发展的时代,以前上门查电收费的方式在一步一步被网络查看用电信息,银行交费的方式所取代,因此长期数据保存及显示功能是不可缺少的,现在大部分电表中采用的是各种电池来给时钟芯片和断电保护提供电源,通过对超级电容器特性的研究使用超级电容器完全可以实现该功能,并且比使用电池更有优势.
超级电容与电池进行比较,有如下一些明显特性:
1、超低串联等效电阻(ESR),功率密度(PowerDensity)是锂离子电池的数十倍以上,适合大电流放电.
2、超长寿命,充放电大于50万次,是锂离子电池的500倍,是镍氢和镍镉电池的1000倍,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年.
3、可以大电流充电,充放电时间短,对充电电路要求简单,无记忆效应,超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或是电极物质表面的快速、可逆的化学过程,可采用大电流充电,能在几十秒到数分钟内完成充电过程,是真正意义上的快速充电.而蓄电池则需要数小时完成充电,采用快速充电也需要几十分钟.
4、温度范围宽-40~+70℃.
5、体积小,外形紧凑,便于安装,节省空间,免维护,可密封.
6、可以在完全放电状态下存储,而过度放电对许多充电电池都是有害的;
7、使用安全、方便、绿色环保对环境无害.
图1是超级电容器为可以作为电表时钟显示的芯片DS1302作后备电源的电路图,DS1302的Vcc1接主电源,Vcc2接超级电容正极,针对不同的电源备份系统,如可选择不同的超级电容.由此原理可以用超级电容器还可应用在对单片机,触摸屏等需要时钟保持或数据的保持电路中.
超级电容在太阳能光伏产品上的应用:
随着全球能源的不断紧缺如何节能、环保成为世界的主题,太阳能是无处不有、取之不尽、用之不竭的理想的清洁能源.超级电容是近些年兴起的绿色储能元件,因此超级电容器太阳能灯必将成为绿色照明中的主力军.由于无需安装其它电源.主动发光而且能够根据光的强弱控制灯的开关.可以安装在小区,广场,步行街等场所.
超级电容器太阳能灯器件选择
1、光源的选择
LED有寿命长,节能,安全,绿色,环保等显著优点.LED的寿命可以长达10万小时以上,工作电压也很低,很适合与太阳能配合使用.颜色也有多种.数量可根据需要照明的亮暗程度调整.由于LED的离散性很大,同一型号也有很大差别,并联时需均流.我们选择额定电压为3V,额定电流为20ma的中亮的LED作为光源,颜色为白色.也可选择其他颜色有绿,蓝,紫.也可选择超高亮度的LED.
2、超级电容的选择
由于太阳能电池输入电压不稳定,同时太阳能灯当周围光线弱时才发光,必须配备蓄电装置.但是由于现在的蓄电池的寿命短,,有污染而且太阳能电池和LED灯的寿命都在10年以上,这样由于蓄电池的寿命与太阳能电池和LED灯的差距给整个草坪灯系统的维护带来了麻烦.并且蓄电池还需要过充过放保护,并且其化学结构使其不能大电流充电,所以我们选择超级电容器做为储能装置.超级电容器是最近几年才兴起的一种储能装置,.他的功率性能要比蓄电池好的多,充电速度快,不存在过放的问题,寿命长充放电可以达到数十万次,它是一种绿色能源;并且超级电容器可焊接,因而不存在蓄电池那样的不牢固现象.
超级电容器太阳能灯电路设计
太阳能灯可由控制电路、升压稳压电路、光控电路构成电路结构入图1所示.
一、控制电路
1、充电稳压电路
由于太阳能电池的电压会随着光照的强度变化不稳定,会对电容造成损害,所以需要在充电系统中设计稳压电路.
2、防止反充电控制电路
防止反充电路保证在太阳能电池输出电压低于超级电容的电压时,超级电容不会反向充点给太阳能电池,以免造成不必要的能量损耗.
二、LED驱动升压稳压电路
由于选用的LED额定电压为3V,而我们超级电容的单只电压为2.5V,低于3V因此需要有升压电路来驱动LED.市场上这种DC/DC种类很多.还有专门为太阳能产品生产的DC/DC.
三、光控电路
由于太阳能草坪灯需要光控开关来控制LED,当周围的光线变暗时,点亮LED,光线变亮时关闭LED.可以采用太阳能电池作为光敏开关,因其光特性比光敏电阻要好.
该设计主要适用于各种装饰灯,草坪灯等小功率的太阳能照明装置.在光控电路中加上脉冲触发器后可以使LED闪烁,可以用做太阳能道钉灯等.
超级电容器在混合动力汽车中的应用
电动汽车发展到今天,主要的瓶颈就是蓄电池的问题.传统的蓄电池(如铅酸电池)由于功率密度偏低,不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况的要求,而且由于加速时浪费了过多的能量,致使车辆的行驶里程也不能满足要求.在正常行驶时,电动汽车从蓄电池中吸取的平均功率相当低,而加速和爬坡时的峰值功率又相当高,一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16:1.事实上,电动汽车行驶中用于加速和爬坡时所消耗的能量占到总能耗的2/3.在现有的电池技术条件下,蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡,而难以在—套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命.蓄电池与超级电容器混合动力车的出现很好的解决解决了电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾.其中由蓄电池提供最佳的续驶里程,而由超级电容在加速和爬坡需要大功率时提供短时的辅助动力.超级电容的能量可以直接取自蓄电池,也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再生的动能.
在蓄电池与超级电容器配合使用中要注意的是,蓄电池电的输出功率应与车辆平均行驶功率需求相当,而超级电容器输出高于平均功率需求的功率并且可吸收再生能量.当车辆的实际行驶功率需求高于超级电容的最大功率时．多余部分由蓄电池提供.超级电容由再生能量为其充电,若没有充足电,剩余部分由蓄电池在车辆低劝率行驶时进行补充.当超级电容充满电时,再生制动能量为蓄电池充电.在蓄电池和超级电容之间采用两象限DC-DC变换器控制它们之间的功率分配,并限制蓄电池在车辆低功率行驶时对超级电容的充电率.若没有DC-DC变换器,则蓄电池和超级电容将只有相同的电压,导致超级电容仅在蓄电池发生快速变化时输出和接受功率,减弱厂超级电容的负载均衡作用.
加装超级电容还解决了低温启动困难的问题,铅酸蓄电池的低温性能也较差,在—40℃时它的电流输出能力约是常温时的1/10左右.所以造成了机动车的低温启动困难.而超级电容的正常工作温度在-40℃至+70℃之间.机动车在-15℃时启动已经困难,而用超级电容器即使是在-30℃时,仍能顺利启动.
超级电容器适用于用汽、柴油发动机的低温启动.可用于汽车、内燃机车、坦克、飞机、轮船、工程设备等使用内燃机的领域.
由于现在石油价格的飞涨,国外一些汽车企业已经把超级电容应用到汽车上,汽车在下坡时把能量以电能的方式储存起来,在爬坡时或需要大功率时释放出来.这样就降低了使用成本.这种方式不仅可以用在机动车上面,还可以用在电动自行车领域.
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