（机械设计及理论专业论文）环保机械电池的设计及研究.pdf

摘要 摘要 随着人们环保意识的不断增强，绿色环保机电产品在新世纪逐渐成为个研 究的热_ 。在小型的环保机电产品中，常常充分利用人们身边绿色能源( 比如人 体机械能、人体动能等) ，将其转变成合适的能源形式，供不同的电器使用。但 是，这些j “品的能源收集、转化以及存储系统几乎都是配合特定产品单独设计制 造的，小具有通用性。另一方面，化学电池具有存储能量大、可通用的优点，但 是其环保性能又较差。 基丁卜述两点，本文首先提出了研制环保机械电池，具有：1 、较大存储能力， 可使用段时间：2 、时效性，町快速充电，在一些紧急情况f 使用；3 、互换通 刚性，可以使用在不同的电器产品上；4 、环保性，零部件件材料可回收利用。从 而能够部分代替化学电池在小型电器中使用。 本文第二章根据环保机械电池蓄能元件的特点，比较分析了普通电容器、大 容量双电层电容以及近几年得到广泛应用的m hn i 电池在充电、放电、循环使用 等方i 面的特点，最终选择了双电层电容作为机械电池的蓄能元件，并对本文选用 的双电层电容器的充放电特性进行了测试。 本文第三章采用渐开线直齿圆柱齿轮箱作为增速机构，和微型三相交流发电 机其同组成能量转化系统。分析了微小型渐开线齿轮箱因空间限制不使用轴承条 件下对传动精度和轮齿应力应变的影响，针对渐开线增速齿轮箱出现的塑性变形 失效，进行了齿轮修缘研究，并使用a n s y s 进行了应力应变分析。 本文最后章利用自主设计的测试设备对研制的手摇式环保机械电池作了整 体性能试验，包括手摇转速与充电效果的关系、充电完成后对不同用电器的放电 测试。试验结果表明：本文设计的手摇式机械电池基本实现了环保机械电池的理 念，在定程度上具备环保机械电池的上述优点，在一些场合下，特别是紧急情 况卜i u 代替化学电池使用。 关涎词环保；电池；机械；手摇式 华南理t 大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g o fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n i d e ai n 2 1 “c e n t u r y ， e n v i r o n m e n t f r i e n d l ym e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o d u c ti s ar e s e a r c hh o t s p o t s o m e c l e a r e n e r g y ，s u c h a s b i o - e n e r g y a n dk i n e t i c e n e r g y o fh u m a nb o d y ，i s a l w a y s c o n v e r t e dt os u i t a b l e t y p e o fe n e r g yf o rv a r i o u sm i n i a p p l i a n c e s b u tt h ee n e r g y c o n v e r s i o n s y s t e m o ft h em i n i e n v i r o n m e n t f r i e n d l ya p p l i a n c e s i s u n i q u e a n dn o t i n t e r c h a n g e a b l e o nt h eo t h e rh a n d ，c h e m i c a lb a t t e r i e sh a v et h ea d v a n t a g eo fr e l a t i v e l a r g ee n e r g y a n d i n t e r c h a n g e a b i l i t y ，a n d t h e d i s a d v a n t a g eo fp o o r e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l i n e s s o nt h et w oa b o v e m e n t i o n e dp o i n t s ，t h ep a p e rb r i n gu pai d e ao f r e s e a r c h i n ga n d d e s i g n i n ge n v i r o n m e n t f r i e n d l ym e c h a n i c a lb a t t e r yw i t hf o u ra d v a n t a g e s f i r s t l y ，t h e m e c h a n i c a lb a t t e r yh a sac o m p a r a t i v el a r g es t o r a g eu s e df o ras p a no ft i m e s e c o n d l y ， t h em e c h a n i c a lb a t t e r yc a nb ec h a r g e df u l l yi nas h o r tt i m ei no r d e rt ob eu s e di na e m e r g e n tc o n d i t i o n t h i r d l y ，i th a st h em e r i to fi n t e r c h a n g e a b i l i t yf o rm a n yd i f f e r e n t m i n i a p p l i a n c e s a tl a s t ，w i t hg o o de n v i r o n m e n tf r i e n d l i n e s s ，i t sc o m p o n e n t sa r e r e c y c l e d s ot h em e c h a n i c a lb a t t e r ym a y t a k et h ep l a c eo fc h e m i c a lb a t t e r i e si ns o m e m i n ia p p l i a n c e s i nt h es e c o n dc h a p t e ro ft h ep a p e r ，a c c o r d i n gt ot h en e e do fm e c h a n i c a lb a t t e r y ， c o m p a r ea n da n a l y z ec a p a c i t o r ，d o u b l el a y e r sc a p a c i t o r ( d l c ) a n dm h n ib a t t e r y ， w h i c hh a s d e v e l o p e dr a p i d l y ，o n t h e c h a r g e d i s c h a r g e a n dr e c u r r e n c ec h a r a c t e r f i n a l l y ，d l ci ss e l e c t e da ss t o r ec o m p o n e n t a n di st e s t e do nt h ec h a r g e d i s c h a r g ea n d r e c u r r e n c ec h a r a c t e r e n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e mi sc o m p o s e do fa na l t e r n a t i n gc u r r e n tm i n ig e n e r a t o r a n di n v o l u t eg e a rc a s es e r v i n ga ss p e e di n c r e a s i n gg e a ri nt h et h i r dc h a p t e ro ft h e p a p e r a n d t h e p a p e ra n a l y z e t h ei n f l u e n c eo nt r a n s m i t t i n gp r e c i s i o n ，s t r e s sa n ds t r a i n ， w h i c hi sc a u s e db yn o n b e a r i n gb e c a u s eo ft h el i m i to fs p a c ei ns p e e di n c r e a s i n gg e a r a d d i t i o n a l l y ，t h e r e s e a r c ha b o u tg e a r p r o f i l e m o d i f i c a t i o ni sd o n et o p r e v e n t t h e p l a s t i c i t yo ft h eg e a rt e e t ha n d t h es t r e s sa n ds t r a i no ft h et e e t hi sa n a l y z e db yd e f i n i t e e l e m e n tm e t h o d a tl a s t ，t h ew r i t e ru t i l i z e st h ee x p e r i m e n te q u i p m e n td e s i g n e db yu st ot e s tt h e w h o l eq u a l i t yo ft h em e c h a n i c a lb a t t e r ys a m p l e t h e s et e s ti t e m si n c l u d et h er e l a t i o n b e t w e e nh a n d r o t a t i o na n dt h ec h a r g er e s u l t ，a n dt h ee f f e c tt h a tt h em e c h a n i c a lb a t t e r y d r i v e ss e v e r a ld i f f e r e n tm i n ia p p l i a n c e s a l lo ft h et e s tr e s u l tm a k ei tc l e a rt h a th a n d a b s t r a c t m e c h a n i c a lb a t t e r y d e s i g n e di nt h ep a p e rr e a l i z et h ei d e at h a t i t r e p l a c ec h e m i c a l b a t t e r i e st oac e r t a i ne x t e n t ，e s p e c i a l l yi nac r i t i c a ls i t u a t i o n k e y w o r d s e n v i r o n m e n t f r i e n d l i n e s s ，b a t t e r y ，m e c h a n i c ，h a n d 1 1 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本沦文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 j 伞：意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：嗽砗 日期：一4 年一月f 口日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 令部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论义属于 不保密曰。 ( 请在以卜相应方框内打“d ”) 作者签名： 导师签名： 微砖 抑 日期：厶年。参月0 0 日 日期：跏够年6 月ff j 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 本课题的两个来源：1 、广东省自然科学基金“微机械电池及微摩擦学设计研 究”，项目编号：0 1 15 0 5 ；2 、国家级星火计划“环保型机械式电池的丌发”，项目 编号：2 0 0 3 e a l 0 5 0 1 0 11 1绿色设计及绿色产品 绿色设计( g r e e nd e s g n ) ，又称生态设计，是上世纪8 0 年代末出现的国际 设计潮流，是“在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性( 可拆卸性、可 回收性、可维护性、可重复利用性等) ，并将其作为设计目标、在满足环境目标 的同时，保证产品应有的功能、寿命、质量等。【1 j ，j 它的方法主要由生态设计方法、组合设计方法、可持续产品设计方法等组成。 牛态设计方法要求存产品的生命周期内要先考虑产品的环境属性，即除了考虑产 品的性能、质量和成本外，还要考虑产品失效后的回收和处理；组合设计是在产 品的功能设计上，强调产品的模块化的设计，强调有利于产品组件升级的设计； 可持续产品设计是强调在考虑到产品效能的同时，也试图给消费者带来新的“附 加价值”，同时考虑产品的社会、政治、道德的需求和消费者满意度。 绿色产品是从产品生命周期的角度来把握，即对产品生命周期的各个环节进 行综合评价，只有当其综合效益对环境和健康有益，才能称得 二是真正的绿色产 品。它不是绿色技术的最后成果，而更应理解成为是整个理论体系的目标，对其 他各个概念具有指导意义，在绿色技术理论中具有中心地位。 1 1 2 绿色产品的研究现状 随着人类对可持续发展概念的普遍认同，从上| _ | = 上纪七十年代起，人类加大了 对绿色技术体系的研究，在国民经济的很多方面都开发出了各种不同类型的绿色 j “品。 绿色j “品家族的种类很多，较为重要的绿色产品有：绿色汽车、绿色能源、 绿色建筑、绿色电器、绿色化学( 品) 、以及绿色农业等等 ”。 在绿色机电产品巾，同样有很多成功的例子。比如十田公司1 9 9 9 年推出的新 车“i ，r i t l q ”，采用汽油发动机和电动马达的混合体系。根据行驶情况，通过引擎 1j 马达的合理配合使用提高了效率。车辆停止时引擎自动停止，减速、刹车时动 华南理? 大学硕士学位论文 能转化成电能可刚送使用。在日常生活中，超声波洗衣机也是1 种典型的绿色家 电。它通过洗涤槽内产生超微细气泡、从而使洗涤剂浸透纤维的各个角落，同时 以气泡破裂、扩散产生的冲击波( 超声波) 去除污浈。该机每分钟约产生5 0 0 0 万个超微细气泡，山于这种浮力可将衣物托起，因而对布料的损伤很小。这种向 洗涤剂和水流施加超微细气泡效果( 产生超声波) 的高清洗力，使洗涤剂用量和 洗涤时间都大幅度减少。 在绿色产品中，有一类产品始终吸引着人们的关注，那就是如何收集和利用 自然界巾容易得到的安全能源。这一类绿色产品可以追溯到早期的白行车所用的 摩电灯。在车轮带动下工作的微型发电机为自行车灯提供电源，就属于机械能转 换电能的一种装簧。圈1 - 1 的收音机属于专用收音机，转动手柄发电给内部蓄能 元件充电。在充电1 分钟时问后，就可以收听大约3 0 分钟。当然，这种收音机也 可以由干电池作为能源来使用。 ( a ) 图卜1 手摇发电收音机 f i g u r e1 - 1h a n dr o t a t i n gr a d i o ( b ) 图卜2 人体动能石英表 f i g u r e1 - 2q u a r t zw a t c hw i t hk i n e t i ce n e r g y 第一章绪论 图12 a 是人体功能石英表，它利用人手臂正常摆动自动上发条的发电机系统 将动转化成电能。图12 b 是该款人体动能手表的内部机构图，随着手臂的摆动， 直径为2 4 m m 的半圆型旋转锤旋转，通过一种独特的增速机构使得旋转速度增加 1 0 0 倍，带动转子以每分钟1 10 万转的超高速旋转，从而使线圈中产生电流。 该电流给直径为9 m m 的电容充电，并通过i c 7 段升压驱动指针 3 1 。 图卜3 是便携式脚踏发电机，它可产生6 w d e l 2 v 的稳定电力输出。该转子轻 巧，可随身携带，除几常给各种各样的电器充电外，还能有效地作为发生灾害时 的紧急备用电源和野营等户外活动的电源使用。 圈卜3 便携式脚蹄发电机 f i g u r e1 - 3m i n ig e n e r a t o rb yt r a m p l i n g 1 1 3 化学电池的普及及其缺点 在目前使用的电池中，绝大部分是化学电池。根据电池能否再充电把化学电 池分为原电池和蓄电池。原电池亦称为一次电池，即不可充电电池。主要包括锌 锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池。其中锌锰电池占大多数，主要应用于手表、 传呼机，收录机等。蓄电池称为二次电池，即町充电电池，其主要成分是强酸或 强碱，故义可以分为酸性莆电池、碱性蓄电池和锂离子电池。其中酸性蓄电池主 要用于电动车：碱性蓄电池主要用于工业和电器设备；而锂离子蓄电池主要用于 手机、计算机、以及电动工具。 电池给人们的生活带来了方便，同时废电池也正在日益对环境构成严蘑威胁。 废电池的危害性主要是由于它含有大量的重金属物质，包括铅、镍、汞、镡、锌、 锰、银、镉、钠等有毒有害物质。其是汞、镍、镉、铅、锌5 种重金属物质已被 列入幽家危险废物名录，成为国家明令严格控制的危险废物。这些物质通过 各种途径进入人体内，长期积蓄难以排除，损害神经系统、造血功能和骨骼，甚 至r i j 以致癌。如铅及铅化物，能导致神经系统疾病、消化系统疾病、血液中毒和 其他病变；镉、锰能导致神经系统疾病，引起金属热，会出现肺水肿、蛋白尿、 华南理上大学硕士学位论文 肾脏和骨骼损害；镍会引起金属热、剧烈瘙痒和湿疹，羰基镍可引起恶心、呕吐、 胸闷头痛、头晕、步态刁i 稳等，神经系统麻痹，严重刺激呼吸道，从而引起炎症 和肺水肿。 废旧电池的另。1 个重大破坏作用是严重污染环境。有关资料显示：一节电池 产= ，仁的有害物质能污染6 0 万升水，等于一个人一生的饮水量：一节烂在地里的电 池能吞嗾一平方米土地，并叮造成永久性公害。我国是电池生产消费大国，电池 的年产量高达1d 0 亿节，消费约1 0 0 亿节，每年人均消费6 节电池。如果这些电 池的处理方式不当，那么可能污染4 6 8 0 0 亿立方米的水，相当于中斟全年河流总 量的1 7 3 倍；也可使7 8 0 0 平方干米土地失去利用价值，这相当于1 2 3 个上海或 l5 个浦东新区的面积。据估计，全球每年约有3 2 0 亿节废旧电池被丢弃，其危害 之大小能不令人触目j 晾心! 废电池的危害性如此之大，但是随着经济的发展和人民生活水平的提高，全 世界的电池产量j 卜以每年2 0 的速度增长。减少含有有害元素的电池的使用，增 加绿色电池的使用是减少电池污染的重要手段。 1 2 本课题的提出 根据电池能否对环境造成污染可以把化学电池分为绿色电池和非绿色电池。 顾名思义，非绿色电池是指使用的原材料或在生产过程中会对环境造成污染的电 池，包括碱性锌锰电池、铅酸电池、镍镉电池等。绿色电池是指在生产制造、使 用、报废时都4 i 会对环境造成污染的高性能电池，包括金属氢化物镍蓄电池( 如 镍氢电池) 、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池 ”、电化学储能超级电容器( 双 电层电容) 以及无汞碱性锌锰原电池等等。相对于非绿色电池而占，绿色电池除 了其优秀的环保性能以外，还具有容量大、比能量高、能量转换率高等优点，因 此目前得到了越来越广泛的应用【”。 除上述所提到的绿色电池外，人们对如何更充分的利用身边无处刁i 在的能量 也表现出越来越大的兴趣。众所周知，在我们的身边，无时无刻不存在着能量的 产， i 、转变和消耗。些能量转换成对人们有益的能量形式，使人们的生活变得 更加美好。同时，相当多的能量在人们不知不觉中自自的浪费掉了。如果能将身 边的能量( 如人体能) 存储起来中，供有需要时使用，呵能会节约更多的其他形 式的能源，从而减少对环境的影响。 上述的一些环保机电产品，无论是摩电灯、手摇发电收音机，还是人体动能 石英表，这些装置都只是应用于其各自的单一商品中，其能源系统是不能独立和 互换使用。基于上述分析，本文提出一种具有实效的、通用的、可互换的节能环 保型机械电池，希望能够将人体能转化成电能存储在电池中，供有需要时使用。 4 第一章绪论 该机械电池零部件均采用绿色环保材料，在电池达到使用寿命后，可回收使用； 浚机械电池外形尺寸与标准电池相同，可部分替换化学电池，划环境保护有着明 显优势。 环保机械电池的理念符合绿色设计理念，是一种新型绿色产曲，符合人们在 新世纪中崇尚环保，追求可持续发展的理念。绿色环保机械电池【6 , 7 , 8 , 9 1 就是一种综 合先进科技技术形成的创新机电产品。尽快解决环保机械电池的些关键性难点， 让这种机械式电池更接近实际应用，并最终广泛应用在未来的生滔中。 1 3 本课题以往的研究成果 在先前的研究工作中，已经取得了一些进展，如图卜4 、卜5 是已经制成的拉 绳卷簧式机械电池样品，它的外形尺寸为0 3 5 x h l 4 。该机械电池是由外壳、转盘、 卷簧、传动机构、发电机、莆能电容以及处理电路组成。在使用时，拉动几次图 中的尼龙绳，收紧卷簧，卷簧在回复力的作用下，带动机械电池中的微型增速机 构，从而通过微型发电装置发电存储在大容量的电容中，供需要时使用。在试验 中，该拉绳式机械电池可以带动电子表、电子计算器以及供微型扬声器( 比如驱 动电子贺卡) 用，证明了机械电池的可行性【1 0 】。可是，上述拉绳式机械电池的弱 一t 也是非常明显的。比如说外形不通用等，其中最明显的不足是它的存储能量非 常少，放电的电流量也非常小。所以增大电池的电能存储能力和设计通用的外形 是本文机械电池研究的重点。 图1 4 拉绳式机械电池结构原理图 图1 5 拉绳式机械电池样品实物 f i g u r e1 - 4s k e t c ho fw i n d e d - s p r i n gm e c h a n i c a lb a t t e r y f i g u r e1 - 5s a m p l eo fw i n d e d s p r i n g m e c h a n i c a lb a t t e r y 1 4 本文主要研究内容 在本文的机械电池的研究中，试图研制一个具有通用电池外形的功率较大的 于摇机械电池。如图卜7 ，以通用的普通1 # 化学电池为样品外形参考，图卜6 是环保机械电池的原理图。在机械电池中，采用了手摇式的能量输入形式，手摇 华南理工大学硕士学位论文 的转速通过增速机构后达到了微型发电机要求的转速，输出一定的电压值，在充 放电电路中进行充电，存储在蓄能元件中。在需要使用该机械电池时，象普通的 化学电池样放入小型电器中使用即i ，。图i _ 8 是机械电池的能量流稃圈。 圈卜6 绿色环保机械电池结构阁 f i g u r e1 - 6c o n f i g u r a t i o no fm e c h a n i c a lb a t t e r y 图1 7 电池原型 f i g u r e1 - 7p r o t o t y p eo fb a t t e r y 一 一一、 整 增 微流充 速 型 、 放 卜骄 发 一 卜 j 、 电 负 动 电 摔一 电 载 制 装 机电路 置 路 、 图卜8 绿色环保机械电池流程图 f i g u r e1 - 8e n e r g yf l o wc h a r to fm e c h a n i c a lb a t t e r y 术论文的研究内容主要包括： 1 机械电池蓄能元件的选择及充放电电路的设计，它是机械电池研究的一 个关键的环i 了。众所周知，蓄能元件的种类非常多。机械电池需要选择合适的蓄 能元件，不仅要求它的蓄能能力较强，而且要求它能够适合机械电池的使用特点。 具体地讲，就是要求蓄能元件具有蓄能能力较强、充电迅速且对充电电压电流的 要求不太严格、充电循环次数多等特点，这样才能保证机械电池的适用性广，具 有时效性。 2 能量转化系统存机械电池系统中的作用是将人体能、机械能转变成电能， 冉通过充放电电路存储在蓄能元件中。在能量转换系统中，本文研究了渐开线增 6 第一章绪论 速齿轮机构在机械电池巾的应用，并研究了其在机械电池使用过程中的破坏形式 以及可能的处理方法。另一方面，研究了机械能转化成电能所用的微型发电机， 该微型发电机可以提供足够高的电胍供蓄能元件和充放电电路使用。 3 性能测试试验在本文中就是对设计的机械电池样品的能量转换敏率、充 放电特性以及机械电池总体的实用性测试。实验证明，本文设计的环保机械电池 能够在一些小型的电器产品中使用一段时问，特别是在一些紧急的状况下更具有 实用价值，因为机械电池的充电时间短，且能够使用一定时间。 7 第二章蓄能元件及充放电电路 2 1 引言 第二章蓄能元件及充放电电路 征人体的能量转化为机械能再转化为电能的过程中，如何能够尽快且尽可能 多地将电能存储在蓄能元件中，尽量减少能量的损失是机械电池研究的一个重要 方面。 一前，能够蓄能的元件的种类很多，不仅包括日常使用的干电池，还包括使 用越来越广泛的可充电电池，如镍镉电池、镍氢电池以及近几年开始使用的一些 新型的储能元件比如锂离子电池、双电层电容( 法拉电容) 等等。到底是哪些元件 适卜存储微型发电机产生的电能呢? 在机械电池的设计和研究过程中，本章试图使用多种不同的蓄能元件进彳试 验研究，希望能够比较，l 种不同蓄能元件之间的异同点，并提出一些建议，以利 于h 后更深入研究：l ：作的展开。 在本章中，比较了普通大容量电容，双电层电容以及m h n i ( 金属氧化物一 镍、镍氨：次r 乜池) 的充电和放电性能，循环性能及其在机械电池中的表现，最 终在机械电池样品的研制巾选用了双电层电容作为蓄能元件。并根据双电层电容 的使用特点设计了简单的充放电电路。 2 2 普通电容器 2 2 1 普通电容器的原理以及特性 电容器是一种最基本的电子元件，应用于国民经济的众多领域。常用电容按 介质区分有纸介电容、油浸纸介电容、金属化纸介电容、云母电容、薄膜电容、 陶瓷电容、电解电容等。传统的电容器容量相对都较小，其容量单位只能以微法 和皮法米计算，主要在电子线路中用于旁路、耦合、调谐、滤波、蓄能、微分、 l ! 分等。 2 2 1 1 普通电容器充放电特性的简述电容器的充电过程实质上是将电源的 电能变成电容器的电场能量的过程和储存电能的过程。电容器的放电实质是将电 容器充电时储存的电场能量再释放的过程。而电容器的充放电过程是进行电能与 电场能量的交换过程。 一般情况f ，电容器的充放电时间可以认在5 r 时结束。z - = r c 称为充放电时 间常数。根据前面所述，电容器具有将电能变为电场能量并存储起来的作用，它 9 华南理 ：大学硕士学位论文 存充放电过程进行电能j 电场能量的互换1 。 i l n a x = u r ( a ) 电容器充放电实验电路( b ) 电容器充电电压、电流变化曲线 ( a ) c a p a c i t o r sc h a r g ea n dd i s c h a r g ec i r c u i t( b ) g r a p h o fv o l t a g ea n dc u r r e n ti nc h a r g ep r o c e s s 图2 一l电容器充放电示意图 f i g u r e2 - 1s k e t c hm a p o f v o l t a g ea n d c u r r e n ti nc h a r g ep r o c e s s 电容器在充电过程中，它两端的电压巩不能发生突变，即它具有瞬时尖峰电 压的作用，这一特性在实际中得到广泛的应用。 2 2 1 2电容器的电压跃变与能量转换电容器电压跃变时伴随的冲激电流 的能量转换【12 1 ，在计算有电容电压跃变的能量损耗时，主要考虑集中参数的电阻 元件的损耗，图2 - 1 所示的电路中，电容器c 的初始储能为0 ，t 一0 时刻，k 与a 接通，电容电摊u ，及充电电流f c 分别为 u 【f ) 为单位阶跃函数，定义为 f 0t o ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 当r 斗0 时( 21 ) 式变为 fu 。( f ) z u ( f ) h ) _ 1 i m 鲁e x p ( 一匆呻) = 哪) 2 。3 ( 22 ) 式中民、j , j 冲激函数。町看出，当r 斗0 时，电容电压发生跃变对应 的电流是冲激电流。其波形见图2 - 2 。u 。跃变时，电源输出的能量为： 1 0 上呵、价丫一丁 r t 1 卜咐 肥扫 磴 * 吒 “ l 二r 百 峨 = = 0 第二章蓄能元件及充放电电路 = u 。i o a t = 阮哳f ( t ) d t = u ：c ( 24 ) 电容储能 睨= 去c u ： ( 25 ) 其余的圭c u ：在哪里? 其实冲激电流是r 斗。的极限，r o 而不能认为r 不消耗能。r 上的耗能： = 胁伽坊= f 嬲譬e x p ( 一d t = 丢叫 ( 2 _ 6 ) 可见c 上的储能与r 上的耗能m 好等干电源提供的能量【”1 。 专丌头倒向b 时，c 则通过r _ o 放电，由于r 斗0 ，故放电电流也是 冲激 电流，u c 由u 。跃变为0 ，电容储存的能量全部消耗于r 上。 j， l 、u l ； 、 i 。 七= 0 幽2 - 2 电容器允放电电压、电流变化图 f i g u r e2 - 2v o l t a g ea n dc u r r e n tg r a p ho fc a p a c i t o rd u r i n gc h a r g ea n dd i s c h a r g ep r o c e s s 2 3 双电层电容器 随着科技的不断发展，电容器的种类也刁i 断增加。在众多的新型电容器中， 双电层电容器以其体积更小和超大容量引人注目。 双电层电容器( d o u b l e l a y e rc a p a c i t o r ) 也叫做电化学电容( e l e c t r o c h e m i c a l c a p a c i t o r ) 或超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) ， 1 3 , 1 4 l 作为一种介于传统电容器和电池 之间的新型储能器件。它的比能量已经大大超过了传统电容器，而其极高的比功 率和更长的循环寿命则是一般的电池望尘莫及的 15 , 1 6 】。见表2 - 1 。 1 1 一兰塑堡：! ：查兰婴主兰垡笙壅 双电层电容器的电极材料主要包括碳、氧化物氮化物碳化物、导电聚合物 ：i 类17 1 。 一个双电层电容器的电容量大小，- 壬耍取决f 其极化电极的比表面积。 比表面积越大，电容量越高。目前普遍认为纳米材料是双电层电容器极化电极材 料的最好选择。常用的非金属纳米材料主要包括：活性炭、碳气凝胶和碳纳米管 等。 表2 - 1x 义电容器、普通电肄器和二次电池性质比较 t a b l e2 - 1c h a r a c t e rc o n t r a s ta m o n gc a p a c i t o r ，d l ca n dr e c h a r g e a b l eb a t t e r y 传统电容嚣j 熨龟层电容器电池 放电时闻 1 0 吨1 0 3 乌l 、3 0 s0 3 。3h 充电时间 i o ”l 旷s1 3 0 s1 、5h 能纛密度 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 05 0 、2 0 0 ( - a g ) 充放循环效率 1 o0 9 0 0 9 5 0 7 ，8 5 循环寿命( 次) t 0 0 ，o5 0 0 、2 0 0 0 电容量的计算公式为： c = 晶拍，d ( 2 7 ) 式中：c ：电容量 8 ：真空中的介电常数 晶：相对介电常数 a ：两个极板像面对的面积 山公式2 7 ，对于传统的电容器而言，提高电容量最有效的方法是提高选用 刹提高介电常数，即选用介电常数大的介质。出f 电极材料的限制和电容器体积 的考虑，在提高传统电容器电容量的研究中，a d 的比值相对来说贡献不大。而 存双电层电容器中，电极材料常常是选用纳米材料，形成的双电层的厚度几乎与 分子直径相仿，a d 的比值大于1 0 1 2 ，当双电层的厚度等于分子的直径时，电容 器能获得所有电容器中最大的比功率和能量密度。 2 ，3 1 双电层电容器的原理 当性质不刷的两相按触时，在相界面l 形成了不同的电位差。这种电位差产 第二章蓄能元件及充放电电路 生的原因足电极与电解液的界面存在库仑力、分子问力或原予力。这种力的作用 使固液两相界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。严格的说， 界而双电层是由离子双电层、吸附双电层和偶极双电层共同作用的结果，但是电 极电解液两相间的电极电位丰要来源于离子双电层。 在很多情况下，电极电解液界面不能自发形成离子双电层。只有通过外接电 源产生电位差，正、负电荷_ = ：j 能分布在电极电解液界面两侧形成的电层。可以近 似的将双电层看作是平板电容器中的两个平面电荷层，它具有定的电容量。这 种利用电容量制成的电容器，称为双电层电容器【”】。 假设以活性炭作为双电层电容器的极化电极，如图2 3 。它由极化电极、隔 膜、集电极组成。需要说明的是，双电层电容器在工作时，电解液与活性物质不 发生化学反应，能量只是电能一电能的简单存储，是由双电层效应与法拉第假电 容引起的。与充电电池刁i 同，充电电池是电极中的活性物质发生了氧化还原反应， 能量发生电能一化学能一电能的转变。【1 9 】当电容器在充电时，电子通过外加电 源从j 卜极流向负极，同时电解液中的正、负离予分别移动到电极表面，形成双电 层储存能量，放电时，电子通过负载从负极流到正极，同时电解液中的正、负离 r 离丌电极表面，重新分散开来，双电层中存储的能量被释放出来。 图2 - 3 救电层电容器下作原理示意图 f i g u r e2 - 3w o r kp r i n c i p l eo fd l c 图2 4 是几种典型的双电层电容的充放电曲线【2 0 l 。从测量曲线刈见，双电层 电容器充放电曲线与理想电容器类似，但存在一些差别，前者初始瞬间存在明 显的电压跳变，且充放电时间常数变大，这是它的等值内阻产生的。设r ，为负载 电阻，c 。为理想电容器电容值，考虑内阻后测量回路时间常数r = ( 比+ r ，) c 。， 则冈内阻的影响而在充电瞬间产生一值为u r n ( 咫+ r ：) 的电压升高，放电初瞬也 产生一值为u r l ( r 。+ r ：，) 的电压降落，且时间常数增加了民c 。双电层电容器等 效串联电阳较大还使得其储能虽然高，但能量4 i 能全部释放出来。 华南理t 大学硕士学位论文 静彝 ( a ) 充电曲线( b ) 放电曲线 ( a ) c h a r g eg r a p h ( b ) d i s c h a r g eg r a p h 阁2 4 松下0 4 7 f 5 v 电容器恒流充放电曲线f 3 7 1 f i g u r e2 - 4c h a r g ea n dd i s c h a r g eg r a p ho fd l c ，p a n a s o n i c5 v 0 4 7 f 放电时负载上压降为u 。则其功率为： = 2 吃：u 2 r e 7 ( 比+ 吃) 2 ( 2 - 8 ) 内阻上的功率为 戈= ，2 氏= u 2 n 。e - 2 t l r ( r o + 吃) 2 以放电初瞬作时间起点，则放电至f = 时其负载上获得的能量为 = f p 仳疵= c d u 2 r ( 1 _ e - 2 q , r ) 【2 帆+ r a 内阻卜- 消耗的能量为 w o f o p 。d t = c o u 2 r 。( 1 _ e - 2 t 1 r ) ，【2 ( 8 。+ r d 所以 + 一c d u 2 ( 1 一e 。2 ”) 2 而时刻c 。上的电压为 ( 气) = 沈 时刻c n 所储存的能量为 形( h ) = c o u ；( 0 2 = c o u 2 一2 1 4 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) f 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第一章蓄能元什及充放电电路 故放电至t = 矗h , jc 。所释放出的能量为 = c d u 2 2 一彬( ) = c d u 2 ( 1 一e 4 ) 2 ( 2 1 5 ) 鼹然有： + w 忑一 ( 2 _ 1 6 ) 即_ 双电层电容器释放的能量有一部分消耗在其内阻上，能量利用率 r l = = r ( r + 民) ( 2 1 7 ) 若民r ，则叩斗1 。 可见，双电层电容器的等值内阻对其充放电特性有很大影响。若要改善充放电 特性及提高能量利用率，需降低其内阻。 23 2电容器串联与并联特性 在电流磁效应、载流平行导线相互作用、单根导线在磁场中受力实验时，由 于这些效应只取决于电流强度，负载电阻往往选择得很小，以尽量获得大电流。 对于电阻为r 的负载，电池串联时 = 告 ( 2 - 1 8 ) ，+ 一 电池并联时 岛= 兰( 2 - 1 9 ) 二+ r 式中r ，e 分别为每节电容器电池内阻与电动势，n 为电容器电池节数，由于 ( ，+ ! 一( 二+ 月) ：( 1 一! ) o 一月) ( 2 2 0 ) y zn” 当r f 时 r + 墨二+ r ( 2 2 1 ) 聆胛 由式2 1 8 ，21 9 式可生j $ 2 i 井 当r 二+ r( 2 2 2 ) 玎 山式2 1 8 ，21 9 式r u 失口j 自 ，并 二! ! 皇堡：尘主堡主兰垡笙苎 因此，当n 较大并且r r 时，电池串联时的电流强度几乎只取决于内阻。， 用减小r 的方法效果很小；而电池并联时主要取决于r ，因而凋节r 改变电流强 度的作用很明显。 2 4 m h n i 电池( 金属氢化物镍二次电池) m h n i 也池是使月j 非常广泛的一种新型碱性蓄屯池，其电性能与c d n i 电池 桐近，电池电挂仅相差2 0 m v ，充电性能和放电性能也很相似1 2 1 1 ，可与c d n i 电 池互换，同时又具有较高的比能量( 般为c d n i 电池的1 5 2 0 倍) 和无镉污染 的优点。广泛应用于电动工具、通讯器材和音像设备中。2 0 0 1 年电池的市场销量 为6 3 9 亿只。甚至作为电动汽车动力源的主要竞争者，m h n i 电池在大容量产品 的丌发上也取得了许多重要的进展。据预测，到2 0 0 5 年，c d n i 电池在电动车市 场各类电池中所占的份额为6 4 【2 2 i 。 2 4 1m i d ni 电池的工作原理以及特点 m h n i 电池的证极采用氢氯化镍作为活性物质的镍电极，负极采用由贮氯合 会贮氧而形成的金属氢化物电极，电解液为氢氧化钾加一定量的氢氧化锂的水溶 液。 图2 5m h n i 电池1 = 作原理 f i g u r e2 - 5w o r k i n gp r i n c i p l e so fm h n ib a t t e r i e s 在m h n i 电池的充放电过程中，正、负极正常发生的电化学反应分别为： 正极：f ( 伽) 。+ o h 一；纂! f d o 啊+ 吃d + e 负极：m + x h ：0 + x e 一寺删，+ x o h 1 6 r 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 第二章蓄能元件及充放电电路 式【_ ，m 以及m h 分别为贮氢合金和金属氢化物，电池总反应式可表示为 m + 枷( o h ) 2 等删，+ x n i o o h 当m h n i 电池充电后期和过充电时，发生的反应为： 正极：4 0 h 一一2 h 。0 + n + 4 e 一 负极：4 m h + 0 2 4 m + 2 h 2 0 2 h _ 日2 当m h n i 电池过放电时，发生的反应为： f 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) f 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 正极：h 2 0 + p 一聿三日：+ o h 一( 2 2 9 ) 负极：m h + o h 一一m + h ，o + e 一 ( 2 3 0 ) 由以上反应步骤可以看出，发生在m h n i 电池两个电极上的反应均属于同相 转变机制，不产生可溶性的盒属离子，因此电池的正、负极都具有较高的稳定性。 电池的工作过程中没有电解质组元的额外生成或消耗，充放电只是氢原子从一个 电极转移到另一个电极的反复过程。此外，m h n i 电池都采用负极过量设计，因 此在充放电过程中，正极上析出的氧元素在m h 电极上被还原成水，称为消氧反 膨；过放电时，在正极析出的氢元素被m h 电极的贮氢合金吸收，称为消氢反应， 故m h n i 电池具有较好的耐过充、过放的能力。 2 4 2m i - t ni 电池的性能特点 表2