مقدمة إلى المكثفات الفائقة

مع تطور المجتمع والاقتصاد، يولي الناس المزيد والمزيد من الاهتمام للطاقة الخضراء والبيئة الإيكولوجية. باعتبارها نوعًا جديدًا من أجهزة تخزين الطاقة، جذبت المكثفات الفائقة المزيد والمزيد من الاهتمام بسبب مزاياها التي لا يمكن الاستغناء عنها. بدأ المهندسون في استبدال البطاريات التقليدية بالمكثفات الفائقة في بعض التصميمات التي تتطلب حلولاً عالية الطاقة وعالية الكفاءة. عيوب في تكنولوجيا البطاريات يمكن للبطاريات الجديدة مثل Li-ion وNiMH أن توفر حلاً موثوقًا لتخزين الطاقة وقد تم استخدامها على نطاق واسع في العديد من المجالات. كما نعلم جميعًا، تقوم البطاريات الكيميائية بتخزين الشحنات الكهربائية من خلال التفاعلات الكهروكيميائية، مما يؤدي إلى نقل شحنة فاراداي. لديهم عمر خدمة قصير ويتأثرون بشكل كبير بدرجة الحرارة. وهذه أيضًا هي الصعوبة التي يواجهها مصممو بطاريات الرصاص الحمضية (البطاريات).

وفي الوقت نفسه، يمكن أن يؤثر التيار العالي بشكل مباشر على عمر هذه البطاريات، لذلك بالنسبة لبعض التطبيقات التي تتطلب عمرًا طويلًا وموثوقية عالية، تظهر هذه البطاريات القائمة على التفاعل الكيميائي عيوبًا مختلفة. ميزات ومزايا المكثفات الفائقة مبدأ المكثفات الفائقة ليس تقنية جديدة. تحتوي معظم المكثفات الفائقة الشائعة على بنية كهربائية مزدوجة الطبقة. بالمقارنة مع المكثفات الإلكتروليتية، يتمتع هذا المكثف الفائق بكثافة طاقة عالية جدًا وكثافة طاقة. بالمقارنة مع المكثفات التقليدية والبطاريات الثانوية، تتمتع المكثفات الفائقة بقدرة تخزين شحن أعلى من المكثفات العادية، وتتميز بخصائص الشحن السريع وسرعة التفريغ، والكفاءة العالية، وعدم التلوث للبيئة، وعمر الدورة الطويل، ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع، والسلامة العالية. . إلى جانب القدرة على الشحن والتفريغ بسرعة، هناك ميزة رئيسية أخرى للمكثفات الفائقة وهي ممانعتها المنخفضة. لذلك، عندما يتم تفريغ المكثف الفائق بالكامل، فإنه سيُظهر خاصية مقاومة صغيرة، وإذا لم يكن هناك حد، فسوف يسحب تيار المصدر المحتمل.

ولذلك، يجب استخدام شاحن تيار مستمر أو جهد ثابت. قبل 10 سنوات، لم يكن من الممكن بيع المكثفات الفائقة إلا بكميات صغيرة جدًا كل عام، وكان السعر باهظًا للغاية، حوالي 1 إلى 2 دولار أمريكي / فاراد. الآن، تم توفير المكثفات الفائقة في السوق بكميات كبيرة كمنتجات قياسية، وتم تخفيض السعر بشكل كبير، بمتوسط ​​0.01. ~0.02 دولار/فاراد. في السنوات القليلة الماضية، بدأت المكثفات الفائقة تدخل العديد من مجالات التطبيق، مثل الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعة والنقل. هيكل المكثفات الفائقة على الرغم من وجود العديد من الشركات المصنعة للمكثفات الفائقة في العالم، والتي يمكن أن توفر أنواعًا كثيرة من منتجات المكثفات الفائقة، فإن معظم المنتجات تعتمد على بنية كهربائية مزدوجة الطبقة مماثلة. هيكل المكثفات الفائقة يشبه المكثفات الإلكتروليتية. متشابهان جدًا، والفرق الرئيسي بينهما هو مادة القطب الكهربائي. كانت أقطاب المكثفات الفائقة المبكرة مصنوعة من الكربون. تحتوي مادة قطب الكربون على مساحة سطح كبيرة، وتعتمد السعة على المسافة بين مساحة السطح والأقطاب الكهربائية. يمكن أن تكون كبيرة جدًا، ويمكن أن تكون معظم المكثفات الفائقة على مستوى فاراد، ونطاق السعة العام هو 1 ~ 5000 فهرنهايت. استخدام المكثفات الفائقة للمكثفات الفائقة نطاق واسع من الاستخدامات. عند دمجها مع مواد ذات كثافة طاقة عالية مثل خلايا الوقود، يمكن للمكثفات الفائقة أن توفر إطلاقًا سريعًا للطاقة لتلبية متطلبات الطاقة العالية، مما يسمح باستخدام خلايا الوقود فقط كمصدر للطاقة. في الوقت الحاضر، يمكن أن تصل كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة إلى 20 كيلو واط/كجم، مما بدأ في الاستيلاء على هذا الجزء من السوق بين المكثفات التقليدية والبطاريات.

في تلك التطبيقات التي تتطلب موثوقية عالية ولكن متطلبات طاقة منخفضة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة لاستبدال البطاريات، أو يمكن دمج المكثفات الفائقة والبطاريات للتطبيقات ذات متطلبات الطاقة العالية، بحيث يمكن استخدام حجم أصغر. ، بطاريات أكثر اقتصادا. تتمتع المكثفات الفائقة بقيم ESR منخفضة جدًا، مما يسمح لها بمصدر تيارات كبيرة وإغراق تيارات كبيرة بسرعة. بالمقارنة مع مبدأ الشحن الكيميائي، فإن مبدأ عمل المكثفات الفائقة يجعل أداء هذا المنتج أكثر استقرارًا، وبالتالي عمر خدمة المكثفات الفائقة أطول. تُعد المكثفات الفائقة مصدرًا مثاليًا للطاقة للأجهزة التي تتطلب شحنًا سريعًا، مثل الأدوات الكهربائية والألعاب. بعض المنتجات مناسبة لنظام البطارية/المكثف الفائق الهجين. يمكن أن يؤدي استخدام المكثفات الفائقة إلى تجنب استخدام البطاريات الضخمة من أجل الحصول على المزيد من الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك الكاميرات الرقمية في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، حيث يسمح استخدام المكثفات الفائقة للكاميرات الرقمية باستخدام بطاريات قلوية رخيصة (بدلاً من بطاريات ليثيوم أيون باهظة الثمن). يتراوح نطاق الجهد المقنن لخلايا المكثفات الفائقة (الخلايا) من 2.5 إلى 2.7 فولت، لذلك تتطلب العديد من التطبيقات استخدام خلايا متعددة المكثفات الفائقة. عند توصيل هذه الخلايا على التوالي، يحتاج مهندس التصميم إلى مراعاة التوازن والشحن بين الخلايا. سيتم تفريغ أي مكثف فائق من خلال المقاومة المتوازية الداخلية عند تنشيطه. يسمى تيار التفريغ هذا بتيار التسرب، والذي سيؤثر على التفريغ الذاتي لوحدة المكثف الفائق.

كما هو الحال مع بعض تقنيات البطاريات الثانوية، يجب أن تكون جهود المكثفات الفائقة متوازنة عند استخدامها على التوالي بسبب وجود تيار تسرب وحجم مقاومة التحويل الداخلية سيحدد توزيع الجهد عبر خلايا المكثفات الفائقة المتصلة بالسلسلة. عندما يستقر الجهد في المكثف الفائق، فإن الجهد في كل وحدة سيتغير مع تيار التسرب، وليس مع قيمة السعة. كلما كان تيار التسرب أكبر، كلما كان الجهد المقنن أصغر، على العكس من ذلك، كلما كان تيار التسرب أصغر، كلما ارتفع الجهد المقنن. وذلك لأن تيار التسرب يتسبب في تفريغ خلية المكثف الفائق، مما يؤدي إلى خفض الجهد، والذي يؤثر بدوره على جهد الخلايا الأخرى المتصلة به على التوالي (بافتراض أن هذه الخلايا المتصلة على التوالي يتم تشغيلها بنفس الجهد الثابت). من أجل التعويض عن تغير تيار التسرب، هناك طريقة شائعة تتمثل في توصيل مقاوم على التوازي بجانب كل وحدة للتحكم في تيار التسرب للوحدة بأكملها. تعمل هذه الطريقة بشكل فعال على تقليل تباين المقاومة الموازية المقابلة بين الوحدات.

هناك طريقة أخرى موصى بها وهي موازنة الخلايا النشطة، حيث تتم مراقبة كل خلية بشكل فعال وموازنتها مع بعضها البعض عندما يكون هناك تغيير في الجهد. يقلل هذا الأسلوب من أي حمل إضافي على الوحدة، مما يجعل العمل أكثر كفاءة. إذا تجاوز الجهد الجهد المقنن للوحدة، فسيتم تقصير عمر الوحدة. بالنسبة للمكثفات الفائقة عالية الموثوقية، تعد كيفية الحفاظ على الجهد ضمن النطاق المطلوب نقطة أساسية، ويجب التحكم في جهد الشحن للتأكد من أنه لا يتجاوز الجهد المقنن لكل خلية.