تحلیل جامع اصول، ویژگی ها و کاربردهای ابرخازن ها در خودروهای انرژی نو

در حال حاضر، جریان اصلی فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی جهانی عمدتاً به دو دسته تقسیم می‌شوند: ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی و ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی. ابرخازن‌ها، به‌عنوان یک فناوری جدید در زمینه ذخیره‌سازی انرژی فیزیکی، نه تنها دارای چشم‌انداز تجاری عالی هستند، بلکه به‌عنوان مکمل عملکردی حیاتی برای فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی سنتی عمل می‌کنند. در پس‌زمینه تشدید بحران جهانی انرژی، این فناوری ذخیره‌سازی انرژی جدید در حال تبدیل شدن به یک مسیر اصلی برای تحقیق و توسعه صنعت است و به تدریج شکاف‌های کاربردی را پر می‌کند که باتری‌های شیمیایی سنتی نمی‌توانند پوشش دهند. باس بار باتری، به عنوان جزء اصلی انتقال جریان یک سیستم ابرخازن، مستقیماً کارایی شارژ و تخلیه جریان بالا را به دلیل رسانایی آن تعیین می‌کند.

در حالی که باتری‌های شیمیایی سنتی به طور گسترده در لوازم الکترونیکی مصرفی و ذخیره‌سازی انرژی صنعتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، آنها ذاتاً از جریان تخلیه کم و عمر چرخه کوتاه رنج می‌برند، که آنها را برای الزامات سخت‌گیری-قدرت بالا و عملکرد طولانی{1}} کاملاً نامناسب می‌کند. در زمینه هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید، که عملکرد خروجی توان بسیار حیاتی است، محدودیت های عملکرد باتری های سنتی بیشتر تقویت می شود. توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی جدید سازگار با سناریوهای-با عملکرد بالا به یک روند اجتناب‌ناپذیر در توسعه فناوری ذخیره‌سازی انرژی مدرن تبدیل شده است و ابرخازن‌ها به سرعت در برابر این پس‌زمینه صنعت توسعه یافته‌اند. Power BusBar یک جزء کلیدی در یک ماژول ابرخازن است که جمع‌آوری و توزیع جریان‌های بزرگ را امکان‌پذیر می‌کند و به طور مؤثر تلفات خط را در طول انتقال جریان بالا کاهش می‌دهد.

ابرخازن‌ها که به عنوان خازن‌های الکتروشیمیایی نیز شناخته می‌شوند، به‌عنوان دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی بالقوه بالا شناخته می‌شوند که بین خازن‌های فیزیکی معمولی و باتری‌های شیمیایی سنتی قرار می‌گیرند. بر اساس تفاوت در اصول ذخیره سازی انرژی، آنها را می توان به دو مسیر فنی اصلی تقسیم کرد. نوع اول ابرخازن دو لایه است که به رابط تماس بین الکترود و الکترولیت متکی است تا یک ساختار شارژ دولایه پایدار در رابط جامد-مایع تشکیل دهد که مستقیماً انرژی را در رابط الکترود-الکترولیت ذخیره می‌کند. کل فرآیند ذخیره سازی انرژی تقریباً شامل هیچ واکنش شیمیایی نمی شود و دارای ثبات چرخه بسیار بالایی است. سیستم‌های BusBar یک شبکه انتقال کامل-جریان بالا برای ماژول‌های ابرخازن فراهم می‌کند، که اتصالات الکتریکی با امپدانس پایین{10} را بین چندین خازن مجزا ایجاد می‌کند و عملکرد شارژ و دشارژ ثابت را در کل ماژول تضمین می‌کند.

در مقایسه با دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی سنتی، مزیت اصلی ابرخازن‌ها در درجه اول در ظرفیت آنها نهفته است. با استفاده از اصول ذخیره انرژی منحصر به فرد ساختار دو لایه-و اثر فارادی، ابرخازن های هم حجم ظرفیتی بین 2000 تا 6000 برابر خازن های فیزیکی معمولی دارند. این ظرفیت خازنی برتر به‌طور کامل نیازهای ذخیره‌سازی انرژی کوتاه‌مدت-در سناریوهای-قدرت-بالا را برآورده می‌کند و شکاف عملکرد بین خازن‌های سنتی و باتری‌ها را پر می‌کند. Automotive Busbar تحت بررسی دقیق قابلیت اطمینان{10}}خودرویی قرار گرفته است و رسانایی پایدار را در طول چرخه عمر وسایل نقلیه جدید انرژی بدون افزایش مقاومت تماسی حفظ می‌کند.

دومین مزیت عمده ابرخازن ها چگالی توان بسیار بالای آنهاست. مقاومت سری معادل آنها بسیار کم است و امکان ذخیره سازی و رهاسازی شارژ سریع را فراهم می کند. چگالی توان می تواند به بیش از ده برابر خازن های معمولی برسد که امکان خروجی جریان های لحظه ای عظیم را در زمان بسیار کوتاهی فراهم می کند. این کاملاً با فرآیندهای شتاب سریع و بازیابی انرژی وسایل نقلیه جدید انرژی که نیاز به جریان‌های بالا آنی دارند، مناسب است و پاسخ دینامیکی خودرو را به طور قابل توجهی بهینه می‌کند. عایق های شینه از مواد خاصی با مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و سطوح عایق بالا ساخته شده اند که به طور موثر از خطرات ایمنی مانند اتصال کوتاه و خزش که می تواند در هنگام شارژ- جریان بالا و تخلیه ابرخازن ها رخ دهد جلوگیری می کند.

ابرخازن ها علاوه بر مزایایی که دارند، دارای سرعت شارژ و دشارژ سریع و عمر چرخه بسیار طولانی هستند. کل فرآیند شارژ و دشارژ عملاً شامل هیچ واکنش شیمیایی مخربی نمی شود و در نتیجه پایداری سیستم استثنایی ایجاد می شود. تعداد چرخه‌های تخلیه-شارژ می‌تواند به صدها هزار نفر برسد، که بسیار بیشتر از باتری‌های شیمیایی معمولی و خازن‌های سنتی هم در طول عمر و هم در طول عمر ذخیره‌سازی طولانی مدت است. آنها تقریباً نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند و به طور قابل توجهی هزینه کل چرخه عمر سیستم های ذخیره انرژی را کاهش می دهند. میله‌های اتوبوس IGBT اتصالات امپدانس پایین{{6} بین ابرخازن‌ها و ماژول‌های IGBT را فعال می‌کنند، که باعث کاهش بیشتر اتلاف گرما در طول انتقال جریان بالا و بهبود بهره‌وری انرژی کلی سیستم می‌شود.

با این حال، ابرخازن ها نیز محدودیت های ذاتی دارند. چگالی انرژی آنها به طور قابل توجهی کمتر از باتری‌های لیتیوم{1} یون سنتی است، و آنها را به عنوان نیروی محرکه اصلی برای وسایل نقلیه الکتریکی خالص برای پشتیبانی از بردهای طولانی رانندگی نامناسب می‌سازد. در حال حاضر، آنها عمدتاً به عنوان منابع برق کمکی در وسایل نقلیه هیبریدی استفاده می‌شوند که در ارتباط با باتری اصلی برق برای ارائه پشتیبانی از جریان بالا- آنی کار می‌کنند. این محدودیت، کاربرد مستقل در مقیاس بزرگ ابرخازن‌ها را در صنعت خودروهای انرژی جدید محدود می‌کند. صنعت در حال حاضر به طور گسترده ای یک راه حل ذخیره انرژی هیبریدی را اتخاذ می کند که ابرخازن ها و باتری های لیتیومی را برای برآورده کردن نیازهای توان بالا و چگالی انرژی بالا ترکیب می کند. باسبارهای چند لایه EV از ساختار انباشته چند لایه خاصی استفاده می‌کنند که می‌تواند به طور قابل توجهی اندوکتانس انگلی حلقه- جریان بالای ابرخازن را کاهش دهد و سرعت پاسخ دینامیکی شارژ و دشارژ را بیشتر بهینه کند.