结合超级电容的电池技术可满足高性能电源应用的需求

对工程师来说，能量存储的性能和可靠性一直是他们设计时的关注要点。在过去，备份电源的解决方案就是电池，主要是铅酸电池。而现在，工程师有更多的选择来满足备份电源的需求，包括锂离子、镍氢电池等先进的电池技术、燃料电池、太阳能电池以及双层电容。


锂离子、镍氢电池和其它电池技术在提供可靠的能量存储解决方案上已取得很大进步。它们已在许多设计中得到应用，并解决了以往的许多成本问题，但设计工程师最终仍面临着与使用铅酸电池时一样的问题，即所有这些技术都是基于化学反应，它们的使用寿命有限并受温度的限制，而且对大电流的需求也会直接影响它们的使用寿命。因此，这些电池技术在持久性和可靠应用方面还面临着一些挑战。


燃料电池是新出现的一种非常有吸引力的电池技术，正在逐步进入许多应用中，而近来对它们也有不少的宣传。燃料电池的最终应用领域是在汽车上，但在过渡期间，它们已出现在备用电源市场。将燃料电池用作备用电源以及主电源的关键问题是这些电池的启动时间和动态功率反应。燃料电池尽管具有优异的能量密度，但动态功率低，因此它们需要一种增强技术用于功率辅助和启动。
超级电容与电解电容或电池的结构非常相似，主要差别是用到的电极材料不一样。


同期出现的还有超级电容，或者称为电化学双层电容(EDLC)。超级电容与电解电容相比，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。


如今，最好的超级电容是功率密度高达20kW/kg的超高功率器件，尽管能量仍只有电池的一小部分。超级电容的尺寸非常紧凑(小的超级电容通常只有邮票大小或者更小)，但它们可存储的能量比传统电容要高得多，并且放电速度可以很快也可以很慢。它们的使用寿命非常长，可被设计成用于终端产品的整个生命周期。当与超级电容这个最新技术相结合时，高能量电池和/或燃料电池可实现高功率特性和长的工作寿命。


尽管全球有好几家超级电容厂商提供多种产品，但大多数双层电容基本上是以相似的方式构造的。从图中可看出，超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似，主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容里，电极基于碳材料技术，可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小，使超级电容具有很高的能量密度。大多数超级电容的容量用法拉(F)标定，通常在1F到5,000F之间。


根据应用需要，超级电容可以替代电池或者作为更小的经济型电池。超级电容的等效串联电阻(ESR)很小，可提供和吸收非常大的电流；它采用“机械式”而不是化学电荷的载流子机制，因而具有很长并可预测的使用寿命，而且随着时间的推移，其性能变化也更小。这些特性能使再生制动以及其它需要快速充电的产品(如玩具和工具)等应用从中受益。


有一些应用适合采用电池/超级电容系统，设计可进行优化以避免电池对能量需求来说过于庞大。这些应用实例包括汽车应用(如混合动力汽车)和消费电子(如数码相机)，在数码相机里，廉价的碱性电池结合超级电容一起使用(而不是使用昂贵的锂离子电池)。


另外一种燃料电池技术是质子交换膜(PEM)，它是一种高效率能量转换器件，其连续工作时间与氢燃料电池相当。它符合绿色环保要求，可以为很多应用提供可靠的备用电源。超级电容和PEM燃料电池系统的几个特性使它们非常适合作为互补器件一起使用。它们都是低电压高电流的器件。超级电容具有ESR小、电荷存储容量大的特性，能迅速提供大电流而电压改变则很小，可对峰值功率需求产生一个短暂的缓冲响应。这使燃料电池可保持其静态工作点而无需降低效率。


在所有备份燃料电池应用中，当主电源断掉后，备份电源需要立刻提供电源。因为燃料电池从启动到满功率运行一般需要10秒到60秒的启动时间，所以它需要一个能量缓冲器。电池或超级电容便可充当这个能量缓冲器。由于所需的缓冲能量很少而可靠性一定要有保证，所以超级电容是这种应用的较好选择。如今，越来越多的燃料电池公司在考虑将超级电容作为整个备份电源封包的一个组成部分。


为满足这种需求，全球的超级电容生产商为备用电源市场提供了许多电池和模块。这些电池和模块能够以并行/串行的形式放置，以满足不同的容量和电压需求。随着更多的超级电容产品问世，以及可用的产品越来越多，设计工程师可像使用其它无源器件一样使用超级电容。


超级电容在成为备用电源的标准器件方面取得了很大进步。大约十年前，超级电容还只是实验室里的样品，每年只有少量销售，每法拉容量的价格在1美元到2美元之间。如今，这些已实现批量生产的器件被视为标准器件，每法拉容量的价格仅0.01到0.02美分。随着超级电容的产量增长以及价格下降，许多设计工程师正在将超级电容作为标准的能量存储器件使用，以满足备份电源对高功率和高可靠性的要求。


作者：Bobby Maher，技术行销总监，Maxwell Technologies公司