法拉儲(chǔ)能，第 3 部分：混合超級(jí)電容器

對(duì)于工作和備用電源和能量存儲(chǔ)，工程師可以選擇電池、超級(jí)電容器或“兩全其美”的混合超級(jí)電容器。

就像可充電電池一樣，超級(jí)電容器需要適當(dāng)?shù)墓芾聿拍軆?yōu)化其性能并避免發(fā)生事故。在許多方面，兩者的監(jiān)管要求相似，但也存在一些差異。電源管理 IC (PMIC) 供應(yīng)商認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并專門為這種情況開發(fā)了設(shè)備，例如 Maxim MAX38889 超級(jí)電容器備用穩(wěn)壓器(圖 1)。

圖 1：MAX38889 監(jiān)控和管理穩(wěn)壓器 IC 專為滿足超級(jí)電容器的要求而設(shè)計(jì)。

該 IC 旨在在超級(jí)電容器和系統(tǒng)供電軌之間傳輸電力。當(dāng)主電池存在且高于充電所需的最低系統(tǒng)電壓時(shí)，MAX38889 會(huì)為超級(jí)電容器充電。一旦超級(jí)電容器充電完畢，電路就會(huì)將超級(jí)電容器保持在就緒狀態(tài)。當(dāng)主電池被移除時(shí)，MAX38889 從超級(jí)電容器獲取電力并將系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至設(shè)定的備用電壓。

超越超級(jí)電容器，走向混合動(dòng)力汽車

充電電池和超級(jí)電容器具有許多相似的功能和應(yīng)用，但彼此之間都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。在許多情況下，設(shè)計(jì)師希望充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，克服彼此明顯的缺點(diǎn)。

超級(jí)電容器相對(duì)于電池的最大優(yōu)勢(shì)在于，它們能夠連續(xù)充電和放電，而不會(huì)像電池那樣退化。這就是電池和超級(jí)電容器相互配合使用的原因。當(dāng)需要浪涌或能量爆發(fā)時(shí)，超級(jí)電容器將為系統(tǒng)供電。超級(jí)電容器可以快速充電和放電，而電池可以提供大量能量，因?yàn)樗鼈兛梢栽谳^長(zhǎng)的較慢時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)和輸送大量能量。

這實(shí)際上是由電路設(shè)計(jì)師完成的，在同一個(gè)設(shè)計(jì)中同時(shí)使用可充電電池和超級(jí)電容器，如 MAX38889 的應(yīng)用圖所示。事實(shí)上，對(duì)于供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，將兩種設(shè)備封裝在一個(gè)外殼中并稱之為混合設(shè)備是有意義的，這樣可以簡(jiǎn)化物料清單 (BOM) 并可能節(jié)省電路板空間。

但這種簡(jiǎn)單的聯(lián)合封裝解決方案仍存在不足，因?yàn)樗^的混合設(shè)備除了封裝之外，并沒有提供任何技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相反，供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種更好的方法，可以創(chuàng)建一種獨(dú)特的儲(chǔ)能設(shè)備，即真正的混合超級(jí)電容器。該設(shè)備結(jié)合了電池和超級(jí)電容器的功能，但不僅僅是將兩個(gè)設(shè)備聯(lián)合封裝在一起，使其看起來(lái)像一個(gè)。

相反，這種真正的混合技術(shù)實(shí)際上要復(fù)雜得多，其內(nèi)部布置實(shí)際上將超級(jí)電容器的材料和原理與鋰離子充電電池融合成一個(gè)單一結(jié)構(gòu)(圖 2)。最終的組件既是電池又是超級(jí)電容器，但作為一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備，而不是單個(gè)封裝中的兩個(gè)不同設(shè)備。

圖 2：混合超級(jí)電容器加鋰電池的物理結(jié)構(gòu)并不是將兩個(gè)不同的組件明顯地封裝在一個(gè)外殼中;而是它們的底層材料和結(jié)構(gòu)的混合。

從構(gòu)造角度來(lái)看，基本超級(jí)電容器和混合超級(jí)電容器可能看起來(lái)相似，但混合超級(jí)電容器使用由摻有鋰的石墨和不同電解質(zhì)制成的陽(yáng)極。每個(gè)超級(jí)電容器都有兩個(gè)電極，一個(gè)類似于電池的電極，另一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器電極。因此，它們的能量密度更接近傳統(tǒng)電池的能量密度，比標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器高出 10 倍。

這些混合超級(jí)電容器的供應(yīng)商包括太陽(yáng)誘電(他們稱之為鋰離子超級(jí)電容器而不是混合超級(jí)電容器，從技術(shù)上講這是非常正確的)、伊頓和麥克斯韋科技公司(現(xiàn)為特斯拉的一部分)。

混合超級(jí)電容器與傳統(tǒng)超級(jí)電容器在其他方面有所不同。它們的工作電壓更高(最高 3.8 V)，電容和能量密度也比標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱超級(jí)電容器高得多(高達(dá) 10 倍)，而且自放電和待機(jī)電流也低得多。另一方面，傳統(tǒng)超級(jí)電容器由于 ESR(等效串聯(lián)電阻)較低而具有更高的功率容量，工作溫度范圍更廣，并且可以放電至零伏以確保安全，而混合超級(jí)電容器無(wú)法完全放電。

與所有電子元件一樣，性能隨溫度變化是重要的設(shè)計(jì)考慮因素。雖然具體情況因供應(yīng)商和型號(hào)而異(圖 3)，但可以表明同一供應(yīng)商(伊頓)的兩個(gè)混合超級(jí)電容器系列的 ESR 和電容隨溫度變化的性能。他們的 HSL 超級(jí)電容器針對(duì)較低的溫度進(jìn)行了優(yōu)化，可低至 -25°C，而 HS 超級(jí)電容器的范圍則擴(kuò)展到 +85°C，并針對(duì)較高的溫度進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 3：任何組件(無(wú)論是二極管、晶體管、IC、電阻器、電容器、電池、超級(jí)電容器還是混合超級(jí)電容器)在溫度范圍內(nèi)的性能都是重要的設(shè)計(jì)因素;這里是標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展范圍混合超級(jí)電容器之間的 ESR 和電容差異。

在頂級(jí)參數(shù)方面，伊頓 HS 和 HSL 混合圓柱形電池的電容值在 30 F 到 220 F 之間，最高工作電壓為 3.8 V。該系列與電流、功率和能量相關(guān)的其他關(guān)鍵規(guī)格如圖4所示。

圖 4：電容顯然是混合超級(jí)電容器最明顯的考慮因素，但它們的 ESR、各種電流、功率和能量規(guī)格也至關(guān)重要。

在大多數(shù)情況下，混合超級(jí)電容器都需要電池管理系統(tǒng) (CMS)，它與鉛酸電池或鋰離子電池相關(guān)的電池管理系統(tǒng) (BMS) 類似，但更簡(jiǎn)單。對(duì)于超級(jí)電容器(標(biāo)準(zhǔn)或混合)，管理系統(tǒng)的目標(biāo)是最大限度地延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，而電池系統(tǒng)則需要管理系統(tǒng)來(lái)確保安全。在多個(gè)電池串聯(lián)的設(shè)計(jì)中，CMS 必須在 2.2 V 時(shí)停止放電，并保持電池電壓相等。

在許多設(shè)計(jì)中，提供運(yùn)行和備用能量存儲(chǔ)和電力輸送是關(guān)鍵問(wèn)題。工程師可以選擇不可充電和可充電電池、超級(jí)電容器，甚至混合超級(jí)電容器。決策需要權(quán)衡，但有可行、緊湊、無(wú)憂且經(jīng)濟(jì)高效的選擇。