一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法，在超級電容模塊電芯的電解液中添加具有氧化還原電位的穿梭分子；所述穿梭分子的激發(fā)電壓高于超級電容的額定充電電壓，且低于超級電容電芯的臨界損害電壓。該方法直接將模塊的電芯均衡整合于電芯的制造中，為主動性均衡策略，均衡方案簡單易行；模塊的均衡不需要復雜的外部集成管理電路，成本大大降低；模塊之間的連接避免了外部均衡方案中所涉及的復雜的線路連接，使模塊系統(tǒng)管理大為簡化。
【專利說明】一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超級電容電芯和模塊，尤其涉及一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法?！颈尘凹夹g】
[0002]超級電容器又叫雙電層電容器，是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點，具有廣泛的用途。單個超級電容電芯的電壓較低，超級電容模塊中儲能系統(tǒng)由多個電芯串聯(lián)來提供應用中所需較高的電壓。由于各個電芯的容量和內阻存在差別，因此串聯(lián)中的各個電芯的電壓將會有較廣的分布。電芯之間的電壓差別主要來自于電芯之間的漏電流的差別。漏電流大的電芯的所負載的電壓小， 漏電流小的電芯所負載的電壓大。在充電狀態(tài)下，電芯之間的電壓差別將會使漏電流小的電芯處于過充狀態(tài)，導致電極結構的破壞和電芯性能的衰減。目前，降低電芯之間的漏電流差別有被動平衡和主動平衡兩種策略。在被動平衡策略中，各個電芯分別和一個外電阻并聯(lián)，其中從外電阻傳輸?shù)碾娏魇锹╇娏鞯?0倍以上。主動策略則在并聯(lián)電阻中串聯(lián)開關電路，以實現(xiàn)對并聯(lián)的電阻的開關的控制。這兩種策略均增大了電芯的漏電流，導致充電效率的降低，并大大增加了超級電容模塊的管理電路的復雜性。

【發(fā)明內容】

[0003]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法，以滿足在充電時，對電芯進行過充保護；在激活時，降低電芯之間漏電流的波動性；統(tǒng)一電芯充電時所承受的最大電壓，提高電芯容量的一致性。
[0004]技術方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法:在超級電容模塊電芯的電解液中添加具有氧化還原電位的穿梭分子；所述穿梭分子的激發(fā)電壓高于超級電容的額定充電電壓，且低于超級電容電芯的臨界損害電壓。
[0005]所述的臨界損害電壓是指:在該電壓下，超級電容電芯的性能在10000循環(huán)中，有性能明顯衰減，例如:明顯衰減可以為電芯容量降低10%，性能指標不限于此。
[0006]所述穿梭分子包括二茂鐵及其衍生物、二茂鐵及其衍生物、咪唑鹽及其側鏈取代的衍生物、三唑鹽及其側鏈取代的衍生物、金屬卟啉化合物及其側鏈取代衍生物。
[0007]在有機相電解液中，所述穿梭分子的氧化還原電位最高工作電壓為2.3^4.5V。
[0008]所述穿梭分子的用量為電解液的I 一 5wt%。
[0009]所述超級電容模塊的電芯電壓為1.5V^3.6V。
[0010]本發(fā)明的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，在超級電容模塊電芯的電解液中直接添加具有合適氧化還原電位的穿梭分子，從而提高儲能系統(tǒng)中電芯性能的均衡性和一致性。氧化還原電對的功能包括:1)充電時，對電芯進行過充保護；2)在激活時，降低電芯之間漏電流的波動性；3)統(tǒng)一電芯充電時所承受的最大電壓，提高電芯容量的一致性。[0011]氧化還原電對的電化學窗口略高于電芯的額定(設計)電壓，在電芯發(fā)生過充時， 過充或過放的電芯中的穿梭分子被激發(fā)，分子在正極被氧化后，經電解液轉移到負極被還原，從而限制了電芯所承受的電壓，均衡的電芯所承受電壓。當充電電壓超過設計值時，電芯所承受的電壓為氧化還原電對分子的氧化還原電勢限制，避免了充電電壓過高對電芯可能的損傷。在穿梭分子被激發(fā)后，電芯的漏電流主要由分子在正負極之間的轉移來完成，從而提高了電芯之間一致性。
[0012]有益效果:本發(fā)明的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，直接將模塊的電芯均衡整合于電芯的制造中，為主動均衡策略，均衡方案簡單易行；模塊的均衡不需要復雜的外部集成管理電路，成本大大降低；模塊之間的連接避免了外部均衡方案中所涉及的復雜的線路連接，使系統(tǒng)管理大為簡化；避免了過充電壓對電極的沖擊和不可逆性損害，從而延長了電芯的循環(huán)和使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是由多節(jié)超級電容電芯串聯(lián)組成的超級電容模塊的結構示意圖；
圖2是利用穿梭分子對電芯進行主動平衡原理示意圖；
圖3是加入穿梭分子后的超級電容電芯充放電性能比較圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的解釋。
[0015]如圖1所示，超級電容模塊由多節(jié)電芯串聯(lián)組成，如果每節(jié)電芯提供電壓為V，則由n節(jié)電芯提供的總電壓為nV。模塊的總容量由串聯(lián)電芯中的容量最小的電芯決定。電芯所承受電壓由電芯內阻決定。在放電時，容量最小的電芯容量最先達到放電終點。在充電時，容量最小的電芯最先達到飽和狀態(tài)。內阻最小的電芯承受電壓最高。過度充電和過度放電均會對電芯的結構和性能產生不可逆的損害。此外，電芯之間的容量不匹配將會導致充電或放電的提前截止，使電池組可使用容量的降低。目前，超級電容模塊的均衡均由外電路實現(xiàn)。均衡電路的引入使電池組和超級電容的管理模塊復雜程度大幅度增加，降低了電池組和模塊的充放電效率,并使超級電容成本高,價格昂貴。
[0016]本發(fā)明在超級電容模塊電芯的電解液中添加具有合適氧化還原電位的穿梭分子， 從而提高儲能系統(tǒng)中電芯性能的均衡性和一致性。如圖2、圖3所示，在電池組充電時，達到過充狀態(tài)時電芯中的氧化還原電對被激活，電芯所承受的電壓被穿梭分子之的氧化還原反應`限制，因此，電容的過充狀態(tài)被限制，避免了由于過充引起的電芯性能衰減。其中，氧化還原電對包括但不限于以下物質:
(I)二茂鐵及其衍生物，結構通式如下:
【權利要求】
1.一種超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:在超級電容模塊電芯的電解液中添加具有氧化還原電位的穿梭分子；所述穿梭分子的激發(fā)電壓高于超級電容的額定充電電壓，且低于超級電容電芯的臨界損害電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述穿梭分子包括二茂鐵及其衍生物、二茂鈷及其衍生物、咪唑鹽及其側鏈取代的衍生物、三唑鹽及其側鏈取代的衍生物、金屬卟啉化合物及其側鏈取代衍生物。
3.根據(jù)權利要求2所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述二茂鐵及其衍生物的結構通式如下:

4.根據(jù)權利要求2所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述二茂鈷及其衍生物的結構通式如下:

5.根據(jù)權利要求2所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述咪唑及其衍生物的結構通式如下:

6.根據(jù)權利要求2所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述三唑及其衍生物化合物的結構通式如下:
7.根據(jù)權利要求2所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述金屬卟啉及其衍生物的結構通式如下:
8.根據(jù)權利要求1所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:在有機相電解液中，所述穿梭分子的氧化還原電位最高工作電壓為2.3^4.5V。
9.根據(jù)權利要求1所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述穿梭分子的用量為電解液的l~5wt%。
10.根據(jù)權利要求1所述的超級電容模塊電芯的主動均衡方法，其特征在于:所述超級電容模塊的電芯電壓為1.5疒3.6V。
【文檔編號】H01G11/84GK103578793SQ201210262763
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權日:2012年7月27日
【發(fā)明者】傅強, 王學峰, 劉杰 申請人:江蘇捷峰高科能源材料股份有限公司