超级电容器的放电曲线

恒定功率PL下的充/放电情况代表了大部分接近实际应用条件的工况,必须特别注意的是电流非常大的低压条件。在这种情况下,焦耳损失的比例更大,这导致效率要小得多。

为了解释这一结果,需要计算关于纯电容部分电压Uc(t)的一个非常难的微分方程(超级电容器端电压UL=Uc(t) + Rs i(t))

超级电容器的容量随电压的增加而增加。如果电容定义为C = C0+ KUc,放电时电流和电压的变化关系如下:

relation between the current and the voltage variation during a discharge
以恒定功率PL放电时,电压与时间的关系是下面微分方程的解:

The voltage as a function of time at constant power delivery −PL

该解式是在a(Uc,t)变量分离和积分之后得出的。
after a (Uc,t) variable separation and an integration

对于一个典型指定的超级电容器:重量为1公斤,电容为 6000 F,RS = 0.1 mΩ,在恒功率PL = 2000W下的充/放电电压曲线如图1.1所示。当电压下降时,放电加速;这种现象在容量下降时被放大了。

在拉贡曲线中,恒功率放电曲线用垂直的直线表示。起始点是相应的初始电压(标称电压通常等于2.7 V),终点是初始电压的一半。与初始电压的一半数值间的垂直线表示。

为了在Un和Un / 2放电过程中获得恒定的功率,最大功率至少也要小于Pm的四分之一。如图1.2所示,最大功率仅为1800wkg−1

图 1.1 指定超级电容器(1kg,6000F和0.1 mΩ)2000W恒功率充放电(电压与容量呈线性或无线性关系)

图 1.1 指定超级电容器(1kg,6000F和0.1 mΩ)2000W恒功率充放电(电压与容量呈线性或无线性关系)


图1.2 最大功率Pm随电压下降而线性下降

图1.2 最大功率Pm随电压下降而线性下降


图1.3 1500F单体在不同温度下的200 W恒功率放电曲线

图1.3 1500F单体在不同温度下的200 W恒功率放电曲线

对于一个给定的可用功率,电压下降时,功率损失增加,这是因为为了保持功率需要电流增加以补偿电压的降低。放电过程中的效率随电压的降低而降低。

如果在同样的电压范围内进行恒电流放电,必须限制初始功率是最终功率的两倍,在这个例子中,数值为3600wkg−1。

这个理论已经分别在1500F和2600F超级电容器实验中被验证(图1.3和图1.4)。1500F单体是为了降低串联电阻而设计的薄电极功率版超级电容器。由于电解液的溶剂粘度很低,如本例中的乙腈,仍有可能在低至−40C的温度下获得一定的功率。

图1.4 2600F单体在不同温度下的200 W恒功率放电曲线

图1.4 2600F单体在不同温度下的200 W恒功率放电曲线

放电结束时,电压降较快。这是由于超级电容器在低电压下的能量会降低。初始电压的阶跃是由电流接通时串联电阻的电压降引起的。这个阶跃对于−40C下的较小型超级电容器非常重要。它可能是由于结构导致的内部问题或实验装置而引起的。无论如何,为了获得良好的超级电容器性能,需要使总串联电阻尽可能的低。

电容和串联电阻参数可以通过测量200W恒定功率放电时电压演变曲线拟合得到。(表1.1)。

表1.1 用于拟合不同温度下200W放电实验曲线的1500F和2600F超级电容参数

表1.1 用于拟合不同温度下200W放电实验曲线的1500F和2600F超级电容参数


图1.5 1500F单体不同温度下的拉贡图

图1.5 1500F单体不同温度下的拉贡图


图 1.6 2600F单体不同温度下的拉贡图

图 1.6 2600F单体不同温度下的拉贡图

实验测量了两种超级电容器同在200W恒定功率下的表现。(图1.5和图1.6)。280 g1500F单体的放电功率密度高于500 g的2600F单体,两者的对比是714 W kg1:400 W kg1。在低温下,小型的1500 F超级电容器的匹配阻抗被超过了。拉贡曲线通过其他公式得到,它只取决于在低电流条件下测量的Rs和C参数。这与实际情况相差很大,尤其是对于1500 F超级电容器来说。

摘自《超级电容器:材料、系统及应用》—能量性能与恒功率放电章节

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