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(gè)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(gè)生命周期。當(dāng)與超級電容這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)能量緩沖器。電池或超級電容便可充當(dāng)這個(gè)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(gè)備份電源封包的一個(gè)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。