智能汽车设计：超级电容组的实践

节能组与传统竞速组别最大的不同之一在于供电方式上。节能组的供电方式由传统的电池供电转变为超级电容供电,超级电容的电能由无线充电模块提供。

超级电容,又名电化学电容、双电层电容器、黄金电容、法拉电容,是从20世纪70—80年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。不同于传统的化学电源,它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能。但其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求,这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是它们都包含一个正极,一个负极,以及这两个电极之间的隔膜,电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个孔隙。

超级电容器是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连,以减小接触电阻;隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件,一般为纤维结构的电子绝缘材料,如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

对于棱形或正方形封装产品部件的摆放,内部结构是基于对内部部件的设置,即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端,从而扩展电容器外的电流路径。对于圆形或圆柱形封装的产品,电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端,使外部的电容电流路径扩展。

超级电容器有如下优点:

①很小的体积下达到法拉级的电容量。

②无须特别的充电电路和控制放电电路。

③和电池相比,过充、过放都不对其寿命构成负面影响。

④从环保的角度考虑,它是一种绿色能源。

⑤超级电容器可焊接,因而不存在像电池一样接触不牢固等问题。

超级电容有如下缺点:

①如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。

②和铝电解电容相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路。

超级电容之所以称之为“超级”有着如下原因:

①超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。

②超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。

③传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能薄。

④超级电容器的面积是基于多孔碳材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2 000 m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的,该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。

⑤庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有非常大的静电容量,这也是其“超级”所在。(www.xing528.com)

超级电容使用注意事项:

①超级电容器具有固定的极性。使用前应确认极性。

②应在标称电压下使用。当电容器电压超过标称电压时,将会导致电解液分解,同时电容器会发热,容量下降,内阻增加,使寿命缩短,在某些情况下,可导致电容器性能崩溃。

③不可应用于高频率充放电的电路中。高频率的快速充放电会导致电容器内部发热,容量衰减,内阻增加,在某些情况下会导致电容器性能崩溃。

④外部环境温度对使用寿命有着重要影响,电容器应尽量远离热源。

⑤被用作后备电源时的电压降。由于超级电容器具有内阻较大的特点,在放电的瞬间存在电压降ΔV=IR。

⑥不可处于相对湿度大于85%或含有有毒气体的场所。这些环境下会导致引线及电容器壳体腐蚀,引起断路。

⑦不能置于高温、高湿的环境中。应在温度-30～+50℃、相对湿度小于60%的环境下储存,避免温度骤升骤降,否则会导致损坏。

⑧用于双面电路板上时,连接处不可经过电容器可触及的地方,否则会导致短路现象。

⑨当把电容器焊接在线路板上,不可将电容器壳体接触到线路板上。否则焊接物会渗入至电容器穿线孔内,对电容器性能产生影响。

⑩安装超级电容器后,不可强行倾斜或扭动电容器。否则会导致电容器引线松动,性能劣化。

在焊接过程中避免使电容器过热。若在焊接中使电容器出现过热现象,会降低电容器的使用寿命。例如,如果使用厚度为1.6 mm的印刷线路板,焊接过程应为260℃,时间不超过5 s。

在电容器经过焊接后,线路板及电容器需要经过清洗,因为某些杂质可能会导致电容器短路。

图10.16　超级电容组的选择

节能组智能小车采用超级电容供电,电容内储存电荷的能量为式(10.1)。

经过测试,车模运行完规定赛道所需能耗最多为350 J。由于芯片输入电压的限制,超级电容最终会有电压值为1.5 V左右的能量无法被使用。为了使这部分能量尽可能小,需要使超级电容组的容值尽可能小。经过实际测试芯片TPS63070(建议节能组使用的一款稳压芯片)的启动电压为5 V。所以最终电容组选择充电电压为8.1 V,电容为50 F,电路如图10.16所示。