スーパーキャパシタの概要

社会や経済の発展に伴い、人々はグリーンエネルギーや生態環境への関心をますます高めています。スーパーキャパシタは、新しいタイプのエネルギー貯蔵デバイスとして、そのかけがえのない利点によりますます注目を集めています。エンジニアは、高出力、高効率のソリューションを必要とする一部の設計において、従来のバッテリーをスーパーキャパシタに置き換え始めています。バッテリー技術の欠陥 リチウムイオンやニッケル水素などの新しいバッテリーは、信頼性の高いエネルギー貯蔵ソリューションを提供することができ、多くの分野で広く使用されています。誰もが知っているように、化学電池は電気化学反応を通じて電荷を蓄積し、その結果ファラデー電荷の移動が起こります。寿命が短く、温度の影響を大きく受けます。これは鉛蓄電池（バッテリー）の設計者が直面する難しさでもあります。

同時に、大電流はこれらのバッテリーの寿命に直接影響を与える可能性があるため、長寿命と高い信頼性が必要な一部の用途では、これらの化学反応ベースのバッテリーにはさまざまな欠点があります。スーパーキャパシタの特徴と利点 スーパーキャパシタの原理は新しい技術ではありません。一般的なスーパーキャパシタのほとんどは電気二重層構造を持っています。電解コンデンサと比較して、このスーパーコンデンサは非常に高いエネルギー密度と電力密度を持っています。従来のキャパシタや二次電池と比較して、スーパーキャパシタは通常のキャパシタよりも高い電荷蓄積容量を有し、高速充放電速度、高効率、環境汚染なし、長いサイクル寿命、広い動作温度範囲、および高い安全性という特徴を有する。 。スーパーキャパシタのもう 1 つの重要な特徴は、急速に充電および放電できることに加えて、その低インピーダンスです。したがって、スーパーキャパシタが完全に放電されると、小さな抵抗特性を示し、制限がなければ、可能なソース電流を引き込みます。

したがって、定電流または定電圧充電器を使用する必要があります。 10 年前、スーパーキャパシタは毎年ごく少量しか販売できず、価格は約 1 ～ 2 米ドル/ファラッドと非常に高価でした。現在、スーパーキャパシタは標準品として市場に大量に供給され、価格も平均0.01と大幅に下がった。 ~$0.02/ファラッド。ここ数年、スーパーキャパシタは、家庭用電化製品、産業、輸送などの多くの応用分野に参入し始めています。スーパーキャパシタの構造 世界には多くのスーパーキャパシタメーカーがあり、さまざまな種類のスーパーキャパシタ製品を提供していますが、ほとんどの製品は同様の電気二重層構造に基づいています。スーパーキャパシタの構造は電解コンデンサの構造と似ています。非常に似ていますが、主な違いは電極材料です。初期のスーパーキャパシタの電極はカーボンでできていました。炭素電極材料は表面積が大きく、静電容量は表面積と電極間の距離に依存します。それは非常に大きくなる可能性があり、ほとんどのスーパーキャパシタはファラッドレベルであり、一般的な静電容量範囲は 1 ～ 5000F です。スーパーキャパシタの使用 スーパーキャパシタには幅広い用途があります。スーパーキャパシタを燃料電池などの高エネルギー密度物質と組み合わせると、高い電力需要を満たすために急速なエネルギー放出が可能になり、燃料電池をエネルギー源としてのみ使用できるようになります。現在、スーパーキャパシタのエネルギー密度は 20kW/kg に達する可能性があり、従来のキャパシタとバッテリーの間で市場のこの部分を奪い始めています。

高い信頼性を必要とするがエネルギー要件が低いアプリケーションでは、スーパーキャパシタをバッテリーの代わりに使用することができます。また、エネルギー要件が高いアプリケーションではスーパーキャパシタとバッテリーを組み合わせて、より小型のサイズを使用することができます。 、より経済的なバッテリー。スーパーキャパシタは ESR 値が非常に低いため、大電流を素早く供給し、大電流を吸い込むことができます。化学充電原理と比較して、スーパーキャパシタの動作原理により、この製品の性能がより安定するため、スーパーキャパシタの耐用年数が長くなります。スーパーキャパシタは、電動工具や玩具など、高速充電が必要なデバイスにとって理想的な電源です。一部の製品はハイブリッド バッテリー/スーパーキャパシタ システムに適しています。スーパーキャパシタを使用すると、より多くのエネルギーを得るためにかさばるバッテリーの使用を回避できます。例としては、家庭用電化製品のデジタル カメラが挙げられます。スーパーキャパシタを使用することで、デジタル カメラで (高価なリチウムイオン電池ではなく) 安価なアルカリ電池を使用できるようになります。スーパーキャパシタ セル (セル) の定格電圧範囲は 2.5 ～ 2.7 V であるため、多くのアプリケーションでは複数のスーパーキャパシタ セルを使用する必要があります。これらのセルを直列に接続する場合、設計エンジニアはセル間のバランスと充電を考慮する必要があります。スーパーキャパシタは、通電されると内部の並列抵抗を通じて放電します。この放電電流は漏れ電流と呼ばれ、スーパーキャパシタ ユニットの自己放電に影響を与えます。

一部の二次電池技術と同様に、スーパーキャパシタを直列で使用する場合、漏れ電流が存在し、内部シャント抵抗のサイズによって直列接続されたスーパーキャパシタ セル全体の電圧分布が決まるため、スーパーキャパシタの電圧のバランスをとる必要があります。スーパーキャパシタの電圧が安定すると、各ユニットの電圧は静電容量値ではなく漏れ電流によって変化します。漏れ電流が大きいと定格電圧は小さくなり、逆に漏れ電流が小さいと定格電圧は高くなります。これは、漏れ電流によってスーパーキャパシタ セルが放電し、電圧が低下し、その結果、それに直列に接続された他のセルの電圧に影響を与えるためです (これらの直列セルに同じ定電圧が供給されていると仮定します)。漏れ電流の変動を補償するために、各ユニットの隣に並列に抵抗を接続し、ユニット全体の漏れ電流を制御する方法が一般的です。この方法は、ユニット間の対応する並列抵抗の変動を効果的に低減します。

もう 1 つの推奨される方法は、アクティブ セル バランシングです。この方法では、各セルがアクティブに監視され、電圧変化があるときに相互にバランスがとれます。このアプローチにより、ユニットへの余分な負荷が軽減され、作業がより効率的になります。本機の定格電圧を超えると、本機の寿命が短くなります。高信頼性スーパーキャパシタは、電圧をいかに要求範囲内に維持するかが重要なポイントであり、各セルの定格電圧を超えないよう充電電圧を制御する必要があります。