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Análisis de Prospectitor Battery Prospect Analysis
- Jul 26, 2018 -

Los supercondensadores no son un término extraño en el campo de la nueva energía. De hecho, los supercondensadores han estado en el campo durante décadas. Aunque su forma de aplicación es diferente de la de las baterías, siempre se reemplaza por baterías en aplicaciones prácticas. Además, enfrenta las desventajas de alto costo y dificultad técnica. Sin embargo, una vez que avance la tecnología de los supercondensadores, tendrá un gran impulso para el desarrollo de la nueva industria energética. Por lo tanto, a pesar de las dificultades en el proceso de desarrollo, la importancia de superarlo es significativa.

El estado actual de los supercondensadores

Los supercondensadores han experimentado más de 30 años de desarrollo desde su nacimiento. En la actualidad, los supercondensadores en miniatura se utilizan ampliamente en dispositivos mecánicos pequeños, como sistemas de memoria de computadora, cámaras, equipos de audio e instalaciones auxiliares para el uso intermitente de electricidad. Los supercondensadores columnares de gran tamaño se utilizan en el campo de la automoción y la recolección de energía natural, y se espera que los supercondensadores tengan un gran potencial en el mercado futuro en estos dos campos.

Larga vida útil, gran adaptabilidad ambiental, alta eficiencia de carga y descarga, y alta densidad de energía son las cuatro características distintivas de los supercondensadores, convirtiéndolo en uno de los temas más valiosos en el mundo de hoy. En la actualidad, los principales países de investigación de supercondensadores son China, Japón, Corea, Francia, Alemania, Canadá y los Estados Unidos. En términos de escala de fabricación y nivel técnico, Asia lidera temporalmente.

Sin embargo, el desarrollo de supercondensadores se ha visto envuelto a la sombra de las baterías (principalmente baterías de hidruro de níquel-metal, baterías de litio). El desarrollo de baterías de hidruro de metal de níquel y baterías de litio se ve facilitado en gran medida por la enorme cantidad de apoyo financiero del gobierno y de los grandes inversores, y es más fácil concentrarse en el mundo. Por el contrario, los supercondensadores son difíciles de obtener un fuerte apoyo financiero, y el progreso tecnológico y el desarrollo están sujetos a un gran grado de limitaciones. Esto hace mucho frío en muchas áreas.

La oportunidad para el supercondensador y la batería para nivelar la brecha

Aunque el costo de fabricación de los supercondensadores se reduce en menos del 10% por año, esta tecnología todavía no puede ampliar la escala de producción en la industria del transporte y la recolección de energía natural. En comparación con el campo de la batería, la tecnología de los supercondensadores es demasiado atrasada. Para reducir la brecha entre los dos en investigación y desarrollo, la primera tarea debería resolver los siguientes problemas:

Aumentar el número de fabricantes de supercondensadores y estimular el desarrollo de tecnologías relacionadas a través de la competencia del mercado;

Ampliar la escala de producción de supercondensadores de alta potencia específica y lograr una producción anual superior a un millón de piezas;

Reducir el costo de fabricación actual de los supercondensadores en un 50%;

Desarrollar una estrategia de desarrollo sostenible de supercondensadores, principalmente para la exploración de materiales de electrodos más eficientes.

Para lograr los objetivos anteriores, los fabricantes deben invertir año tras año en el mercado de supercondensadores, principalmente para el desarrollo y la producción de equipos. Al mismo tiempo, la expansión del gobierno de la financiación y el apoyo técnico también jugará un papel crucial.

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Análisis de perspectivas de aplicación de supercondensadores

¡Los supercondensadores son una batería excelente! ¡En el futuro, la densidad de almacenamiento de energía se puede aumentar en otras 10-100 veces!

En la actualidad, la densidad de almacenamiento de las baterías ordinarias es de 0.02 kWh / kg, mientras que el supercondensador puede llegar a 10 o 20 kWh / kg, que es 500-1000 veces más que las baterías de plomo ordinarias. ¡El futuro se puede mejorar aún más! ¡Y la velocidad de carga y descarga es extremadamente rápida, solo toma unos segundos!

En el pasado, una batería de plomo-ácido de 50 kilogramos solo puede almacenar un kilovatio de electricidad, y se romperá después de un largo tiempo, y el tiempo de carga y descarga es particularmente largo.

Ahora, si una batería de supercondensador aún pesa 50 kilogramos, puede almacenar 500-1000 kWh, lo que es suficiente para que el auto promedio corra 5000 kilómetros. ¡Incluso un autobús puede recorrer casi 2,000 kilómetros! Si presiona el estándar del automóvil actual, agregue 600 veces de cálculo de aceite, calcule el consumo de energía estándar de 15 grados por 100 kilómetros, puede almacenar 100 grados de electricidad, entonces solo necesita 5-10 kg de batería de súper capacitor. ¡Sí! ¡De esta forma, el automóvil ya puede ser usado muy bien!

¡En el futuro, la batería del supercondensador de grafeno se seguirá inventando, y la capacidad se ampliará aún más diez veces! ¡Eso será aún mejor en el futuro!

En resumen, desde el punto de vista de la tecnología actual, ¡ya es posible tener el valor de desarrollo de los vehículos eléctricos comerciales! Se estima que se puede instalar una batería súper con una distancia de carrera de 600 kilómetros en un solo automóvil. El costo es solo de unos 1-2 millones de yuanes. La carga será más simple y más rápida, y se puede completar en unos segundos. No es contaminante y puede usarse de por vida sin reemplazo intermedio. ¡Será mejor en el futuro y se puede usar por completo! Además, hay otra ventaja de que puede convertirse en energía eléctrica mediante la energía de los frenos y almacenarse, y almacenarse mediante energía eólica y energía solar, lo que ahorra más energía y el líquido de frenos es más seguro y más confiable.

En resumen, el futuro de los vehículos eléctricos nacerá, puede utilizar esta tecnología para desarrollar su propia industria, ¡para ganar un lugar para China!

¡Ya que la tecnología de la batería se ha superado, se debe mejorar, fabricar y finalmente vender al propio automóvil eléctrico del usuario! ¡Entonces, puedes hacer una gran industria de vehículos eléctricos y obtener un desarrollo verde para China! ¡Puede eliminar por completo la contaminación de los gases de escape de los automóviles urbanos, reducir el consumo de gasolina y diésel por cientos de millones de toneladas y reducir la dependencia del petróleo de Medio Oriente! ¡Lleva las alas del desarrollo económico de China!

¡Deberíamos seguir prestando atención a esta tecnología, esta industria, oportuna! Además, es la industria de grafeno, industria de transformación de tecnología de la información, nueva industria informática, industria de software inteligente, agricultura moderna, industria de aleación de titanio, actualización y modernización de industrias tradicionales, etc. ¡Estas serán la base del futuro desarrollo de China!

La previsibilidad de los supercondensadores en el futuro

Sin lugar a dudas, los supercondensadores dependen de su propia longevidad, alta eficiencia de carga y descarga y otras características importantes, solo para encontrar el suelo adecuado para su propio desarrollo, el potencial de desarrollo futuro es enorme.

Para el desarrollo de la próxima década, los supercondensadores serán una parte importante de la industria del transporte y la recolección de energía natural. Entre ellos, los supercondensadores utilizados para ensamblar vehículos en el sistema de arranque-parada se convertirán en sus principales canales de venta en el futuro. El mercado global en 2016 alcanzará los $ 270 millones y superará los $ 350 millones en 2020.

Análisis de Tendencia de Desarrollo de Super Capacitor en Vehículo Eléctrico

El sistema de potencia compuesto de supercapacitor-batería combina las ventajas del supercondensador y la batería, que no solo mejora las características de potencia instantánea del vehículo eléctrico, sino que también evita una gran descarga de corriente de la batería, prolonga la vida útil de la batería y aumenta la conducción rango del vehículo eléctrico. Es una dirección de desarrollo importante para supercondensadores en el campo de los vehículos eléctricos y tiene amplias perspectivas de mercado.

Debido a la doble presión de la contaminación ambiental y la crisis del petróleo, los vehículos eléctricos se han convertido gradualmente en un vehículo verde importante en la vida de las personas. La fuente de energía es la fuente de energía para vehículos eléctricos, pero la tecnología actual de la batería no puede cumplir completamente con los requisitos de los vehículos eléctricos.

Un supercondensador es un componente de almacenamiento de energía entre una batería y un condensador electrostático. Tiene una densidad de energía mucho más alta que un condensador electrostático y una densidad de potencia mucho más alta que una batería, y no solo es adecuada para una fuente de salida de potencia de corta duración, sino que también se puede usar para mejorar las características de movimiento cuando la electricidad el vehículo arranca, acelera y sube, porque tiene mayor potencia, mayor energía específica y más almacenamiento de energía. Además, el supercondensador tiene las ventajas únicas de baja resistencia interna, alta eficiencia de carga y descarga (más del 90%), larga vida útil (decenas de miles a 100.000 veces), sin contaminación y otros componentes de energía (motor, batería , pila de combustible). Etc.) Trabajar juntos para formar una articulación es una forma efectiva de lograr el reciclaje de energía y reducir la contaminación, lo que puede mejorar en gran medida el margen de maniobra de los vehículos eléctricos con una sola carga. Por lo tanto, los supercondensadores tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de los vehículos eléctricos y será una de las direcciones importantes para el desarrollo de vehículos eléctricos en el futuro.

En la actualidad, Japón, Estados Unidos, Suiza, Rusia y otros países están intensificando el desarrollo de supercondensadores, y la investigación sobre la aplicación de supercondensadores en sistemas de accionamiento y frenado de vehículos eléctricos, y la producción y aplicación de supercondensadores en China todavía está su infancia.

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1. Mecanismo y características del supercondensador

Ultracapacitor es un nuevo tipo de componente de almacenamiento de energía desarrollado recientemente. Es una fuente de alimentación física secundaria con capacidad de almacenamiento de súper potencia y poder pulsante potente. Es diferente de los condensadores convencionales y tiene una capacidad de decenas de miles de métodos. . Los supercondensadores se dividen principalmente en tres categorías de acuerdo con el mecanismo de almacenamiento de energía: (1) un condensador eléctrico de doble capa generado por separación de carga en la interfaz entre el electrodo de carbono y el electrolito; 2 usando óxido de metal como un electrodo, que se produce por reacción de oxidación-reducción en la superficie del electrodo y la fase volumétrica. Chemisorption reversible de un condensador de Faraday; 3 un condensador que se somete a una reacción redox usando un polímero conductor como un electrodo.

Dado que la carga y descarga del condensador eléctrico de doble capa es puramente un proceso físico, el número de ciclo es alto y el proceso de carga es rápido, por lo que es adecuado para la aplicación en un vehículo eléctrico. El supercondensador de doble capa es un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía que utiliza electrolito polarizado para almacenar energía eléctrica. La estructura principal se muestra en la Figura 1. Al cargar los electrodos, la carga superficial de los electrodos en el estado de electrodo ideal atraerá los iones opuestos en la solución electrolítica circundante, haciendo que estos iones se adhieran a la superficie del electrodo para formar un doble capa eléctrica, que constituye la capacidad eléctrica de doble capa. Como un supercondensador tiene un área mucho más grande para almacenar la carga y una distancia mucho menor para el aislamiento de carga que un condensador convencional, la capacidad de una unidad de supercondensador es de varios a decenas de miles de métodos. Debido al proceso especial, la resistencia equivalente del supercondensador es muy baja, la capacitancia es grande y la resistencia interna es pequeña. El supercondensador puede tener una corriente máxima alta, por lo que tiene una potencia específica alta, que es de 50 a 100 veces mayor que la de la batería, y puede alcanzar 10 kW / kg. Esta característica hace que el supercondensador sea adecuado para aplicaciones de alta potencia a corto plazo.

El supercondensador tiene un excelente rendimiento de carga y descarga. Se puede cargar a cualquier valor de voltaje a una velocidad muy alta dentro del rango de voltaje nominal. Cuando se almacena, toda la energía almacenada se puede descargar, y no hay daños en la batería para una carga y descarga rápidas. problema. Además, el supercondensador tampoco tiene contaminación para el medio ambiente y alta resistencia mecánica, buena seguridad (a prueba de fuego, a prueba de explosiones), libre de mantenimiento durante el uso, larga vida útil (más de 10 años) y amplio rango de temperatura de funcionamiento (30 ° C ~ 45 ° C) Las ventajas son las mismas, y existe una función de amortiguación en el caso de alta tensión instantánea y alta corriente de cortocircuito, y el sistema de energía es relativamente estable. La comparación de rendimiento entre la supercondensadora y la batería de plomo-ácido y el condensador común se muestra en la Tabla 1.

Estado de investigación de aplicaciones

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Avances en la investigación aplicada en el hogar y en el exterior

Debido al rendimiento superior de los supercondensadores y al desarrollo de supercondensadores en los últimos años, los supercondensadores se han utilizado ampliamente en el campo industrial. En la actualidad, los países de todo el mundo luchan por investigar y aplicarlos cada vez más a los vehículos eléctricos. Los supercondensadores se han convertido en una nueva tendencia en el desarrollo de la energía del vehículo eléctrico, y el sistema compuesto de energía compuesto por supercondensadores y baterías se considera una de las mejores maneras de resolver el problema de la potencia del vehículo eléctrico en el futuro.

Situación en Japón

Japón es pionero en la aplicación de supercondensadores a vehículos eléctricos híbridos. Los supercondensadores son una de las áreas importantes en el desarrollo de vehículos eléctricos en Japón en los últimos años. El híbrido de celda de combustible y supercapacidad FCX de Honda es el primer sedán comercial de pila de combustible del mundo, que se lanzó en 2002 en Japón y California. El 24 de junio de 2002, Nissan produjo un camión híbrido paralelo equipado con un motor diesel, un motor eléctrico y un súper condensador. Además, se introdujo un autobús híbrido de súper capacitor de gas natural, que es 2.4 veces más económico que el vehículo de gas natural original. . En la actualidad, los autobuses eléctricos híbridos equipados con supercondensadores se han convertido en un proyecto nacional de investigación en Japón.

 

La situación en Europa y América

El Instituto Suizo PSI instaló un banco de supercondensadores de 360 kW para un vehículo de celda de combustible de 48 kW. El supercondensador adquiere toda la potencia transitoria del sistema de accionamiento durante la desaceleración y la puesta en marcha, ayudando al combustible con una potencia nominal de 15 kW de 50 kW. La batería funciona El motor de tracción tiene una potencia nominal continua de 45kW y una potencia máxima de 75kW. Utiliza una fuente de alimentación de CC de 360V. La prueba de consumo de combustible realizada por el vehículo de prueba Volkswagen Bora mostró que su consumo de combustible era inferior a 7L / 100km, mientras que el consumo de combustible de la misma calidad de la serie BMW7 era de 10,7L / 100km. En 1996, Eltran de Rusia desarrolló un vehículo eléctrico con un supercondensador como fuente de energía. Utiliza 300 condensadores en serie y puede conducir durante 12 km a una velocidad de 25 km / h. Estados Unidos ha progresado en la investigación de vehículos híbridos supercondensadores. Los supercondensadores desarrollados por Maxwell se han aplicado bien en varios tipos de vehículos eléctricos. El autobús híbrido desarrollado por el Centro de Investigación NASALewis en los Estados Unidos usa supercondensadores como el principal sistema de almacenamiento de energía.

La situación actual de China

En la actualidad, la investigación nacional sobre vehículos eléctricos con supercondensadores como única fuente de energía ha progresado. En julio de 2004, el primer " trolebús de accionamiento de frecuencia variable de almacenamiento de energía con condensador " de China se puso en funcionamiento de prueba en Zhangjiang, Shanghai, y el autobús utilizó supercondensadores. Comparado con las características de la gran potencia y el estacionamiento de punto fijo del transporte público, cuando el tranvía se detiene en la estación, puede cargarse rápidamente en 30 segundos, y la energía puede suministrarse continuamente después de la carga, y la velocidad puede alcanzar los 44 km / h . En enero de 2005, la Universidad de Shanghai Jiaotong firmó un acuerdo con la ciudad de Yantai, provincia de Shandong, para invertir conjuntamente en el desarrollo del bus supercondensador. Planea construir una línea de demostración de 12km en el distrito de Fushan de Yantai y construir una producción anual de 10,000 nuevos condensadores ecológicos en la zona industrial de alta tecnología de Fushan. La base de producción del autobús. El autobús eléctrico supercondensador desarrollado por el Instituto de Tecnología de Harbin y el Grupo Jurong tiene capacidad para 50 pasajeros con una velocidad máxima de 20 km / h. Sin embargo, el diseño y control del vehículo eléctrico súper capacitor-batería compuesto de energía en China está básicamente en su infancia.

Topología de supercondensadores utilizados en vehículos eléctricos

Vehículo eléctrico puro supercondensador

Utilizando directamente el supercondensador como única fuente de energía para vehículos eléctricos, este método es simple, práctico, de bajo costo y no produce emisiones, por lo que es adecuado para áreas de línea fija de corta distancia, como tractores en estaciones de tren o aeropuertos. Carritos de entrega para la escuela y el jardín de infantes, autobuses de excursión al parque y autobuses eléctricos.

Vehículo eléctrico de fuerza compuesta

Los supercondensadores se pueden combinar con baterías, pilas de combustible, etc. para formar un sistema de energía compuesto, pero las células de combustible todavía no están disponibles para el uso práctico debido a su alto costo. Por lo tanto, hay más investigaciones sobre sistemas de suministro de energía compuestos de baterías de supercondensadores en casa y en el extranjero, y su topología se resume como se muestra en la Figura 2. La estructura de la Figura 2a es la más simple, pero como no hay convertidor DC / DC, la batería y el supercondensador tendrán el mismo voltaje, de modo que el supercondensador emite y recibe energía solo cuando el voltaje de la batería cambia rápidamente, reduciendo así el efecto de equilibrio de carga del supercondensador. . Tanto la Figura 2b como la Figura 2c usan un convertidor OC / OC bidireccional. El seguimiento bidireccional de CC / CC en la figura 2b detecta el voltaje del terminal de la batería para regular la tensión del terminal del supercondensador para que coincida con los dos. Dado que el cambio en el voltaje del terminal de la batería es más suave que el voltaje del terminal del supercondensador, para DC / DC, la Figura 2b es más fácil de controlar que la Figura 2c. Aunque teóricamente es más flexible, la estrategia de control para DC / DC es muy precisa y difícil de mantener.

Estrategia de control para el sistema de potencia compuesto

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Estrategia de control de restricción de velocidad

Cuando el vehículo arranca, el supercondensador debe almacenar más energía, y el supercondensador debe descargarse para garantizar el rendimiento de aceleración del vehículo eléctrico. Cuando el vehículo está conduciendo a alta velocidad, el supercondensador debe almacenar menos energía para frenar. Se recibe más energía durante el proceso. La energía almacenada en el supercondensador es proporcional al cuadrado de la tensión del terminal. Dado que la tensión del terminal del supercondensador tiene un rango de variación relativamente grande, cómo controlar la profundidad de descarga durante la descarga, para prepararse para la descarga secundaria durante la conducción o el frenado regenerativo para recuperar la carga, pero debe repetir la prueba en el experimento. para conseguirlo.

Estrategia actual de control de restricciones

Durante el proceso de conducción del vehículo eléctrico, la corriente de carga cambia relativamente debido a aceleraciones, desaceleraciones y altibajos frecuentes. Cuando la corriente de carga es demasiado grande para exceder la descarga máxima o la corriente de carga que la batería puede soportar, para evitar la batería. La sobre-descarga o sobrecarga, necesita ser descargada o cargada por el supercondensador, para mejorar el estado de funcionamiento del paquete de baterías y extender su vida útil.

Para evitar daños a la batería causados por una corriente de retroalimentación excesiva, se puede adoptar un modo de frenado de corriente de carga constante, es decir, la corriente de carga de la batería es el objeto controlado. Esta es una estrategia de control más práctica para vehículos eléctricos con sistemas de suministro único de batería. Dado que el voltaje de la batería no cambia significativamente durante el frenado regenerativo, el aumento en la corriente del inducido no es demasiado grande. En el sistema de potencia compuesto de supercondensador-batería, el voltaje del terminal del supercondensador cambiará enormemente durante el proceso de frenado regenerativo único. A medida que la tensión del terminal del supercondensador aumenta durante el proceso de frenado y la fuerza electromotriz de la parte posterior del motor disminuye, la corriente del inducido aumentará bruscamente, lo que puede dañar el dispositivo de potencia o incluso el motor. Por lo tanto, se puede utilizar una estrategia de potencia constante al cargar el supercondensador, es decir, se controla la potencia de carga del supercondensador durante el proceso de frenado regenerativo.

Cuando el voltaje del supercondensador es bajo, se utiliza la carga con una gran corriente. Cuando la tensión del condensador aumenta, el valor de comando de la corriente de carga disminuye, lo que puede equilibrar la recuperación de energía y la protección del dispositivo del sistema.

Estrategia de control integrada

La estrategia de control de restricción de velocidad puede mejorar el rendimiento dinámico del vehículo. Cuando se adopta la estrategia actual de control de restricciones, la corriente de la batería puede funcionar dentro del rango especificado y proteger la batería. Estas dos estrategias de control tienen sus propias ventajas y desventajas, y adoptan estrategias de control integrales. La aplicación integral de la estrategia de control de restricción de velocidad y la estrategia actual de control de restricciones pueden tener en cuenta sus ventajas, no solo pueden proteger la batería, extender la vida útil de la batería, sino también mejorar el rendimiento dinámico del vehículo.


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