Search

[EN] The electric double layer capacitor (EDLC) is an electrochemical capacitor storing electric energy by charging the electric double layer on the micropores of a nanoporous carbon electrode such as activated carbon. The EDLC has a fast charge-discharge property and excellent cycle life, but its energy density is lower than other electrochemical energy storage devices such as the rechargeable battery. The energy density of the EDLC can be improved by increasing the double layer capacitance and the maximum charging voltage. In this review, the author describes the activated carbon electrodes for use in a durable EDLC for high voltage charging., This work was partially supported by NEDO and JST of Japan and the “Element Innovation” Project by Ministry of Education, Culture, Sports, Science & Technology in Japan. The author would like to express sincere appreciation to AION Co. and Mitsubishi Materials Co. for providing MICROLIGHT and foamed Al sheet respectively

In dit artikel worden de algemene karakteristieken van Electrochemical Double-Layer Capacitors (EDLCs) weergegeven. Bovendien, worden er een reeks van toepassingen toegelicht waarbij deze technologie geïmplementeerd of onderzocht wordt. Voor elk van de toepassingen worden de voordelen besproken voor wat betreft energierecuperatie, netstabiliteit, verlenging van de levensduur van primaire energiereservoirs zoals een batterij, en dimensionering van de hoofdenergiebron. De onderzochte toepassingen maken deel uit van de projecten waarin Vrije Universiteit Brussel betrokken was.

Een aandrijfsysteem bestaat meestal uit twee componenten: 1. Een primaire energiereservoir (batterij of generator) 2. Een energieomzetter (elektrische omvormer en motor) In de meeste gevallen kampen dergelijke aandrijfsystemen met een dynamische belasting. Dit wil zeggen dat de arbeid dat de energieomzetter moet leveren niet constant is. Indien het vermogen uitsluitend geleverd wordt door de primaire energie reservoir, zal dit reservoir niet altijd optimaal benut worden. Het reservoir zal dan overgedimensioneerd worden om de gevraagde piekvermogens te kunnen leveren. In deelregimes werkt het reservoir met een laag rendement dat tot hoger energieverbruik leidt. Dit probleem kan best opgelost worden door integratie van een piekvermogeneenheid in het systeem. Dergelijke vermogeneenheden bestaan uit een supercondensator en een DC-DC omvormer. Deze configuratie laat toe om de primaire energie reservoir zoveel mogelijk te ontlasten van piekvermogens wat ongetwijfeld zal resulteren tot een langere levensduur van de reservoir. De resterende energie wordt bij piekbelastingen geleverd door de supercondensatoren. Supercondensatoren hebben zeer hoge capaciteit, meestal tot enkele duizenden Farads. Een condensator slaat elektrische energie op en kan men dus beschouwen als een reservoir van elektrische energie. De specifieke energie van de supercondensatoren is in vergelijking met de batterijen zeer gering, terwijl deze energie in een veel kortere tijd kan afgegeven worden. Dit is de reden waarom een supercondensator in aanmerking komt als een piekvermogeneenheid. De ladingsinhoud van een supercondensator is evenredig met de klemspanning, terwijl de energie-inhoud evenredig is met het kwadraat van de klemspanning. Teneinde de energie-inhoud volledig te benutten, is het wenselijk dat de spanning over een breed gebied kan variëren. De aanwezigheid van een gelijkstroomomvormer met een hoog rendement die de variërende spanning kan omzetten in een meer constante systeemspanning is essentieel. Om vermogen te kunnen leveren, moet de supercondensator opgeladen worden. De hiervoor benodigde energie kan afkomstig zijn van de primaire energie reservoir ofwel van de motor die als een generator werkt (bv. bij remming). Op basis van de analyse die in werkpakket 2 is uitgevoerd, worden hier de geselecteerde applicaties door de gebruikerscommissie met een groot potentieel gemodelleerd. Vandaar dat dit één van de meest belangrijkste werkpakketten is. Gebruikmakend van de componentkarakteristieken wordt een model opgebouwd in Matlab simulink teneinde het systeemgedrag (stroom en-spanningsverloop, ladingstoestand,...) volledig te beschrijven en op een efficiënte wijze de invloed van de individuele componenten na te gaan. Teneinde na te gaan in hoeverre de voorgestelde technologische oplossingen een duidelijke positieve bijdrage kunnen leveren, zullen de meest belovende configuraties hieruit weerhouden worden voor experimentele analyse onder werkpakket 4.

Being able to predict the behaviour of Rechargeable Energy Storage Systems (RESS) such as batteries and Electric Double-Layer Capacitors (EDLC) relies on the models used to represent them. Research on the development and enhancement of these models is performed on two tracks: on one hand by defining the model topology, where a trade-off is sought between the reduction of components in the model equivalent scheme and the ability of the model to describe all potential system behaviour and, on the other hand by improving the method of calculating the magnitudes of the different components in the model. The storage devices examined in this paper are divided in two groups, electrochemical devices and electrical double layer capacitors. The first group consists of lead-acid, lithium, Ni-Cd and Ni-MH batteries. The second group comprises of Electric Double-Layer Capacitors (EDLC). For every model used to describe a battery or EDLC, different techniques are implemented to calculate the magnitude of the components. The work presented in this paper will elaborate to the calculating method used in NREL's FreedomCAR test-manual adapted to fit different battery- and EDLC models. This method consists of an iterative approach to the equations of the model using data gathered from performing tests on the battery or supercapacitor. Validation of the models obtained through this calculating method will be done by performance tests on the storage devices. As the models of batteries and supercapacitors are a key aspect in the simulation software for hybrid-vehicles more accurate models result in more accurate simulations. These simulation programs depend upon the underlying component models, the data generated by which determines the accuracy of the program's data-output. The availability of reliable storage RESS models will thus be a key element in to allow overall vehicle modelling.

Anglès: Nowadays there is an interesting grown of the manipulation of matter at the nanometric scale in order to develop new Nano-devices and to make use of theirs nanometric properties. The research group of Micro and Nano Technologies (MNT) of UPC has developed a technique for depositing Nano-particles, called electrospray, is being applied to the manufacture of Nanophotonic devices. In this project the electrospray technique is used to deposit Nano-particles of dielectric materials and manufacture a Metal- Insulator -Metal (MIM) device. The capacitors fabricated in this project, consist of a metal layer deposited by sputtering, a layer of Nano-particles of insulating material deposited by electrospray and another metal layer deposited by thermal evaporation. The matter used for Nano-particles is silicon oxide nanospheres, the metal is aluminum. Work areas will be of the order of 7x10-6 m2 and thicknesses of the order of 10 microns. By electron microscope (SEM -FIB) of the CRNE lab, pictures are taken once manufactured devices. Measures are made on function of frequency of capacity, equivalent series resistance, impedance, phase; the Nyquist plot is also obtained to analyze the behavior of the MIM devices and contrast with some capacitors in the literature. The results indicated capacitance density of 0.2mF/cm2 to 1kHz and 0V dc bias. This project aims to analyze the interesting features arising from the use of nano-spheres for the performance of the insulation. Preliminary evidence suggests that the effect of using these nanospheres causes an increase of several orders of magnitude expected capacity, suggesting that these new devices are promising for use as "supercapacitors". Castellà: Actualmente existe un gran auge por el interés de la manipulación de la materia a escala nanométrica con la intención de desarrollar nuevos nano-dispositivos y aprovechar las propiedades nanométricas del material. El grupo de investigación de Micro y Nano Tecnologías (MNT) de la UPC ha desarrollado recientemente una técnica para depositar nano-partículas, llamada Electrospray, se está aplicando a la fabricación de dispositivos Nanofotónicos. En este proyecto se utiliza la técnica Electrospray para depositar nano-partículas de materiales dieléctricos y fabricar un nuevo dispositivo Metal-Aislante-Metal (MIM). Los condensadores fabricados en este proyecto, constarán de una capa de metal depositada por Pulverización Catódica, una capa de nano-partículas de material aislante depositada por Electrospray y otra capa de metal depositada por Evaporación térmica. El material usado para las nano-partículas es óxido de silicio (del orden de 250nm), el metal es aluminio. Las áreas de trabajo serán del orden de 7x10-6 m2 y los espesores del orden de 10 micrómetros. Mediante el microscopio electrónico (SEM-FIB) del laboratorio de CRNE se han tomado imágenes una vez fabricado los dispositivos. Se han realizado medidas en función de frecuencia de capacidad, resistencia serie equivalente, impedancia, fase; también ha obtenido el diagrama de Nyquist para analizar el comportamiento del MIM y contrastar los dispositivos con algunos existentes en la literatura. Los resultados indicaron densidad capacitiva de 0.2mF/cm2 a frecuencias de 1kHz y 0V de polarización. En este proyecto se pretende analizar las interesantes características que se derivan de la utilización de nano-esferas para la realización del aislante. Pruebas preliminares sugieren que el efecto de utilizar estas nano-esferas provoca un aumento de varios órdenes de magnitud la capacidad esperada, sugiriendo que estos nuevos dispositivos son prometedores en su utilización como “supercondensadores”. Català:Actualment hi ha un gran auge per l'interès de la manipulació de la matèria a escala nanomètrica amb la intenció de desenvolupar nous nano- dispositius i aprofitant les propietats nanomètriques del material. El grup de recerca de Micro i Nano Tecnologies ( MNT ) de la UPC ha desenvolupat recentment una tècnica per dipositar nano - partícules, anomenada Electrospray, s'està aplicant a la fabricació de dispositius nanofotònics. En aquest projecte s'utilitza la tècnica Electrospray per dipositar nano-partícules de materials dielèctrics i fabricar un nou dispositiu Metall-Aïllant-Metall ( MIM ) . Els condensadors fabricats en aquest projecte, constaran d'una capa de metall dipositada per Polvorització catòdica, una capa de nano-partícules de material aïllant dipositada per Electrospray i una altra capa de metall dipositada per Evaporació tèrmica. El material usat per a les nano- partícules és òxid de silici, el metall és alumini. Les àrees de treball seran de l'ordre de 7x10 -6 m2 i els gruixos de l'ordre de 10 micròmetres. Mitjançant el microscopi electrònic ( SEM - FIB ) del laboratori de CRNE s'han pres imatges un cop fabricat els dispositius. S'han realitzat mesures en funció de freqüència de capacitat, resistència sèrie equivalent, impedància, fase, també ha obtingut el diagrama de Nyquist per analitzar el comportament del MIM i contrastar els dispositius amb alguns existents a la literatura. Els resultats van indicar densitat capacitiva de 0.2mF/cm2 a freqüències de 1kHz i 0V de polarització. En aquest projecte es pretén analitzar les interessants característiques que es deriven de la utilització de nano-esferes per a la realització de l'aïllant. Proves preliminars suggereixen que l'efecte d'utilitzar aquestes nano- esferes provoca un augment de diversos ordres de magnitud la capacitat esperada, suggerint que aquests nous dispositius són prometedors en la seva utilització com "supercondensadores".

In many hybrid configurations batteries continue to be the weakest component because they have a shorter lifespan than the vehicle. Large power demands in particular have a detrimental effect to a battery pack's lifespan. This paper investigates the effect of the use of a EDLC (Electrical Double Layer Capacitors) as a power buffer to smooth rapid power fluctuations in and out of the batteries of a hybrid electric heavy truck. The study considers a simple configuration where the supercapacitors are directly connected in parallel with the batteries. A simple parallel connection is the easiest to arrange for trial purposes but depending on the specific application, it might not always be the most efficient. Such design of hybrid energy storage system is expected to result in substantial benefits to the well being of the battery system. The work has been carried out on computer simulations. Finally the simulations results are validated on a test bench.

PHEVs and BEVs make use of battery cells optimized for high energy rather than for high power. This means that the power abilities of these batteries are limited. In order to enhance their performance, a hybrid Rechargeable Energy Storage System (RESS) architecture can be used combining batteries with electrical double layer capacitors (EDLCs). Such a hybridized architecture can be accomplished using passive or active systems. In this paper, the characteristics of these topologies have been analyzed and compared based on a newly developed hybridization simulation tool for association of lithium ion batteries and EDLCs. The analysis shows that the beneficial impact of the EDLCs brings about enhanced battery performances in terms of energy efficiency and voltage drops, rather than extension of vehicle range. These issues have been particularly studied for the passive and active hybrid topologies. The classical passive and active topologies being expensive and less beneficial in term of cost, volume and weight, a new hybrid configuration based on the parallel combination of lithium ion and EDLCs on cell level has been proposed in this article. This topology allows reducing cost, volume, and weight and system complexity in a significant way. Furthermore, a number of experimental setups have illustrated the power of the novel topology in terms of battery capacity increase and power capabilities during charging and discharging. Finally, a unique cycle life test campaign demonstrated that the lifetime of highly optimized lithium-ion batteries can be extended up to 30%-40%.