充電方式對超級電容能量效率的影響

充電方式對超級電容能量效率的影響
2014.12.23

       超級電容(supercapacitor)又稱超電容、電雙層電容器(EDLC)、超高容量電容器(ultracapacitor)、法拉電容或電化學電容器,是一種介於傳統電容和電池的儲能裝置,既具有電容的快速充放電特性也具有蓄電池的儲能特性。 

   超級電容一般分為電雙層超級電容器與氧化還原超級電容器,以最常見的電雙層的超級電容而言,主要為碳材,其結構如圖1。當在超級電容器兩端的引出電極,加上電壓後,多孔的碳正負電極儲存正電荷與負電荷。兩多孔性電極之間形成一個電場,電解液在這電場作用,在兩多孔性電極界面形成相反電荷,亦即電雙層理論。
電雙層

        解構一個超級電容的等效電路相當於是一個理想電容C並聯電阻Rp再與電阻Rs串聯如圖2Rs等效了超級電容中電極與電解質所產生的電阻性質; Rp代表了超級電容靜態損耗,亦即在超級電容靜置時的漏電流能量損失。
 
        在充放電過程中,串聯電阻Rs一般比較小只有幾m,但是它對充放電效率的影響比較大,尤其是在大電流充放電的情況下,電阻Rs會因為消耗能量而產生熱量,這會大大限制超級電容放電
 

超級電容等效電路圖

2超級電容等效電路圖

類似評估蓄電池的能量效率,超級電容有三種能量效率:

(1)   充電效率 ηcharge

是指超級電容充電時,電容器所儲存的能量 (Wc) 與充電輸出能量 (Winput)之比。

                                  ηcharge =Wc / Winput




(2)   充電效率 ηdischarge

定義為超級電容放電時,電容器所能放出電能量 (Woutput)與之儲存的能量 (Wc)比。

 ηdischarge = Woutput / Wc
(3)   儲能效率 ηstorage

超級電容放電過程,超級電容器能放出電能量 (Woutput) 與之輸入的能量 (Winput) 之比。
 
ηstorage = Woutput  / Winput


若在超級電容靜置過程中能量損耗小於4%,

ηstorage=ηcharge×ηdischarge



充電方式對充電效率的影響

(1)     定電壓充電

         定電壓充電是指在對超級電容充電的過程中保持充電電源的固定電壓不變,電流會隨著充電的進行而不斷減小

令電阻耗能為WR,超級電容充入能量為Wc,充電時間為T,串聯電阻Rs,超級電容電容量C。

       ηcharge =Wc/WR+Wc 1/2 ( 1-e-T/RsC)

            充電過程中充電效率隨著充電時間的增加而增加,最大的時候達到50%。

(2)    定電流充電

固定充電電流的定電流充電是現在常用的一種充電方式,充電電流越大充電時間越短。

     
  ηcharge =  I / I+(2RsC/T)

 超級電容選定則Rs而C是固定值,那麼充電效率就只和充電時間有關,充電時間越長效率越高。


   T = CVc(t)/I

         例如HCC3500F/2.7 V超級電容為例計算充電效率,其中超級電容容值C =
3500FRs=0.6m初始電壓為0額定電壓2.7V充電效率與充電時間的關係如圖所示。


                                         定電流充電
充電時間與充電效率關係

從圖中可以看出若充電時間在50秒以內那麼充電效率最高達到90%,延長充電時間至200秒,則充電效率可達到97%以上。充電時間越長則效率越高。

 
(3)    定功率充電

定功率充電,充電電壓和電流是隨時變化的。設定充電功率為P

   ηcharge = 1/2 C (Vc2(T)-Vc02)/ P*t

         VC0 為超級電容的初始電壓, VC為超級電容電壓

在充電初期能量幾乎消耗在電阻Rs上,隨著充電時間的不斷增加,電容兩端電壓不斷增大,充電電流不斷減小以熱能消耗的能量也就不斷減小,充電效率逐步提高,最終可達到95%。

結論

超級電容的充電效率和充電方式有很大的關聯,定電流充電效率高但是到了充電的後期電容兩端電壓過大。而定電壓充電效率過低,定功率充電則控制電路複雜,所以可以採取組合充電的方式,在超級電容端電壓較低的時候採取大電流充電方式,隨著端電壓不斷加大改為遞減電流或者定電壓方式充電,使充電更加充分。

參考文獻2014年電子元件

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Mountain (張榮錡)

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