滿足高性能電源應(yīng)用的新能量存儲方案選擇

超級電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長、尺寸緊湊等特性，當(dāng)它與其它新興的電池技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，可滿足高性能電源應(yīng)用的需求。本文對這些新的能量存儲方案及其使用方式進(jìn)行了分析。

如今性能和可靠性是每個設(shè)計(jì)所必需的，對工程師來說，能量存儲一直是他們設(shè)計(jì)中的致命弱點(diǎn)。在過去，備份電源的解決方案就是電池，主要是鉛酸電池。而現(xiàn)在，工程師有更多的選擇來滿足備份電源的需求，包括鋰離子、鎳氫電池等先進(jìn)的電池技術(shù)、燃料電池、太陽能電池以及雙層電容。

鋰離子、鎳氫電池和其它電池技術(shù)在提供可靠的能量存儲解決方案上已取得很大進(jìn)步。它們已在許多設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并解決了以往的許多成本問題，但設(shè)計(jì)工程師最終仍面臨著與使用鉛酸電池時(shí)一樣的問題，即所有這些技術(shù)都是基于化學(xué)反應(yīng)，它們的使用壽命有限并受溫度的限制，而且對大電流的需求也會直接影響它們的使用壽命。因此，這些電池技術(shù)在持久性和可靠應(yīng)用方面還面臨著一些挑戰(zhàn)。

燃料電池是新出現(xiàn)的一種非常有吸引力的電池技術(shù)，正在逐步進(jìn)入許多應(yīng)用中，而近來對它們也有不少的宣傳。燃料電池的最終應(yīng)用領(lǐng)域是在汽車上，但在過渡期間，它們已出現(xiàn)在備用電源市場。將燃料電池用作備用電源以及主電源的關(guān)鍵問題是這些電池的啟動時(shí)間和動態(tài)功率反應(yīng)。燃料電池盡管具有優(yōu)異的能量密度，但動態(tài)功率低，因此它們需要一種增強(qiáng)技術(shù)用于功率輔助和啟動。

同期出現(xiàn)的還有超級電容，或者稱為電化學(xué)雙層電容(EDLC)。超級電容與電解電容相比，具有非常高的功率密度和實(shí)質(zhì)的能量密度。在過去幾年，這些器件已應(yīng)用在消費(fèi)電子、工業(yè)和汽車等許多領(lǐng)域。

圖：超級電容與電解電容或電池的 結(jié)構(gòu)非常相似，主要差別是用到的電極材料不一樣。

如今，最好的超級電容是功率密度高達(dá)20kW/kg的超高功率器件，盡管能量仍只有電池的一小部分。超級電容的尺寸非常緊湊(小的超級電容通常只有郵票大小或者更小)，但它們可存儲的能量比傳統(tǒng)電容要高得多，并且放電速度可以很快也可以很慢。它們的使用壽命非常長，可被設(shè)計(jì)成用于終端產(chǎn)品的整個生命周期。當(dāng)與超級電容這個最新技術(shù)相結(jié)合時(shí)，高能量電池和/或燃料電池可實(shí)現(xiàn)高功率特性和長的工作壽命。

盡管全球有好幾家超級電容廠商提供多種產(chǎn)品，但大多數(shù)雙層電容基本上是以相似的方式構(gòu)造的。從圖中可看出，超級電容與電解電容或者電池的結(jié)構(gòu)非常相似，主要差別是用到的電極材料不一樣。在超級電容里，電極基于碳材料技術(shù)，可提供非常大的表面面積。表面面積大且電荷間隔很小，使超級電容具有很高的能量密度。大多數(shù)超級電容的容量用法拉(F)標(biāo)定，通常在1F到5,000F之間。

根據(jù)應(yīng)用需要，超級電容可以替代電池或者作為更小的經(jīng)濟(jì)型電池。超級電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)很小，可提供和吸收非常大的電流；它采用“機(jī)械式”而不是化學(xué)電荷的載流子機(jī)制，因而具有很長并可預(yù)測的使用壽命，而且隨著時(shí)間的推移，其性能變化也更小。這些特性能使再生制動以及其它需要快速充電的產(chǎn)品(如玩具和工具)等應(yīng)用從中受益。

有一些應(yīng)用適合采用電池/超級電容系統(tǒng)，設(shè)計(jì)可進(jìn)行優(yōu)化以避免電池對能量需求來說過于龐大。這些應(yīng)用實(shí)例包括汽車應(yīng)用(如混合動力汽車)和消費(fèi)電子(如數(shù)碼相機(jī))，在數(shù)碼相機(jī)里，廉價(jià)的堿性電池結(jié)合超級電容一起使用(而不是使用昂貴的鋰離子電池)。

另外一種燃料電池技術(shù)是質(zhì)子交換膜(PEM)，它是一種高效率能量轉(zhuǎn)換器件，其連續(xù)工作時(shí)間與氫燃料電池相當(dāng)。它符合綠色環(huán)保要求，可以為很多應(yīng)用提供可靠的備用電源。超級電容和PEM燃料電池系統(tǒng)的幾個特性使它們非常適合作為互補(bǔ)器件一起使用。它們都是低電壓高電流的器件。超級電容具有ESR小、電荷存儲容量大的特性，能迅速提供大電流而電壓改變則很小，可對峰值功率需求產(chǎn)生一個短暫的緩沖響應(yīng)。這使燃料電池可保持其靜態(tài)工作點(diǎn)而無需降低效率。

在所有備份燃料電池應(yīng)用中，當(dāng)主電源斷掉后，備份電源需要立刻提供電源。因?yàn)槿剂想姵貜膯拥綕M功率運(yùn)行一般需要10秒到60秒的啟動時(shí)間，所以它需要一個能量緩沖器。電池或超級電容便可充當(dāng)這個能量緩沖器。由于所需的緩沖能量很少而可靠性一定要有保證，所以超級電容是這種應(yīng)用的較好選擇。如今，越來越多的燃料電池公司在考慮將超級電容作為整個備份電源封包的一個組成部分。

為滿足這種需求，全球的超級電容生產(chǎn)商為備用電源市場提供了許多電池和模塊。這些電池和模塊能夠以并行/串行的形式放置，以滿足不同的容量和電壓需求。隨著更多的超級電容產(chǎn)品問世，以及可用的產(chǎn)品越來越多，設(shè)計(jì)工程師可像使用其它無源器件一樣使用超級電容。

超級電容在成為備用電源的標(biāo)準(zhǔn)器件方面取得了很大進(jìn)步。大約十年前，超級電容還只是實(shí)驗(yàn)室里的樣品，每年只有少量銷售，每法拉容量的價(jià)格在1美元到2美元之間。如今，這些已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的器件被視為標(biāo)準(zhǔn)器件，每法拉容量的價(jià)格僅0.01到0.02美分。隨著超級電容的產(chǎn)量增長以及價(jià)格下降，許多設(shè)計(jì)工程師正在將超級電容作為標(biāo)準(zhǔn)的能量存儲器件使用，以滿足備份電源對高功率和高可靠性的要求。