超級(jí)電容技術(shù)分析及應(yīng)用

　無(wú)論如何稱呼，超電容(ultracapacitor)或者超級(jí)電容(supercapacitor)這類新型電容都比傳統(tǒng)的電容器的電容大得多。直接地說(shuō)，您現(xiàn)在可以購(gòu)買到額定值為5～10F/2.5V的徑向引線式板載電容、額定值為120～150F/5V的閃光燈電池大小的電容，更大的單電容可以達(dá)到650～3000F/2.7V的電容值。注意，所有這些電容器的電容值都是以法拉為單位的。而在不久以前，兩千微法的器件就被認(rèn)為是大電容了。

　　如果您需要更多種類的電容，您可以訂購(gòu)電容額定值為20F到500F、電壓額定值為15V到390V的各種電容器現(xiàn)貨。如果采用適當(dāng)?shù)拇?并聯(lián)組合，您甚至可以用這類電容驅(qū)動(dòng)一輛巴士(bus)——對(duì)，不是電路板上的布線，而是載人的巴士汽車。(盡管混合燃料系統(tǒng)、化學(xué)電池和燃料電池指日可待，但是它們遲遲沒(méi)有正式投入使用)。

　　在研發(fā)超電容時(shí)，人們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么新的物理定律。實(shí)際上，有關(guān)超電容的原理仍然要追溯到德國(guó)物理學(xué)家赫爾姆霍茲。與普通電容器一樣，超電容也是采用在兩個(gè)“極板”之間儲(chǔ)存電荷的形式來(lái)儲(chǔ)存能量的。電容值的大小與極板的面積以及兩極板之間所用的介電材料成正比，與兩極板之間的距離成反比。但是，超電容的原理有所不同。

　　在用超電容實(shí)現(xiàn)巨大的電容之前，我們就已經(jīng)掌握了電解化學(xué)(electrolytics)的原理。超電容不是電解化學(xué)，但是了解電解化學(xué)有助于我們認(rèn)識(shí)超電容這一新型的技術(shù)。

　　之所以稱之為電解化學(xué)，是因?yàn)樗囊粋€(gè)(或兩個(gè))“極板”是在金屬襯底的表面形成的非金屬電解質(zhì)。在制造過(guò)程中，電壓驅(qū)動(dòng)電流從陽(yáng)極金屬板通過(guò)導(dǎo)電的電鍍槽流向陰極。這樣就會(huì)在陽(yáng)極的表面產(chǎn)生一層絕緣的金屬氧化物——電介質(zhì)。

　　在電解化學(xué)中，當(dāng)把電極浸入到電解溶液中時(shí)，會(huì)在電極分界面上出現(xiàn)電荷累積和電荷分離的現(xiàn)象。電解液中反向帶電離子的累積補(bǔ)償了電極表面的剩余電荷。這一分界面稱為赫爾姆霍茲層(Helmholtz layer)。

　　超電容的結(jié)構(gòu)不再是那種中間填充介電材料的平板電極(或者卷成管狀的平板電極)結(jié)構(gòu)——就像三明治中間的花生醬。在超電容中，電荷的充/放電發(fā)生在電解質(zhì)中多孔碳精材料或多孔金屬氧化物之間的分界面上。

　　Helmholtz層引起了一種稱為雙層電容的效應(yīng)。當(dāng)把一個(gè)直流電壓加載到超電容中多孔碳精電極的兩端，用于電荷補(bǔ)償?shù)年?yáng)離子或陰離子就會(huì)在帶電電極周圍的電解液中發(fā)生累積。如果分界面上不出現(xiàn)電子遷移，那么“兩層”分離的電荷(金屬一側(cè)的電子或電子空穴，以及界面邊界電解液一側(cè)的陽(yáng)離子或陰離子)就會(huì)出現(xiàn)在分界面上(如圖1所示)。

　　圖1：超電容實(shí)質(zhì)上包含兩個(gè)極板和一塊懸掛在電解液中的隔板。正極板吸引電解液中的陰離子。負(fù)極板吸引陽(yáng)離子。這形成了所謂的電化學(xué)雙層電容(EDLC)，其中具有兩層電容式存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　Helmholtz-region電容的大小取決于多孔碳精電極的面積以及電解液中的離子容量。雙層電極上每平方厘米的電容大小是普通介電電容的10000倍。這是因?yàn)殡p層電極中電荷之間的距離大約只有0.3到0.5nm，而電解化學(xué)中這一距離為10到100nm，云母電容或聚苯乙烯電容為1000nm。

　　我們已經(jīng)對(duì)這種“雙層”電極的原理有所了解。但是，這種雙層結(jié)構(gòu)降低了實(shí)際器件應(yīng)該達(dá)到的理論電容值，因?yàn)槌娙莅ㄒ粚?duì)電極，每個(gè)電極的面積只有總面積的一半。另外，超電容實(shí)際上是兩個(gè)電容相串聯(lián)而成的。因此，超電容的實(shí)際電容值只有根據(jù)電極面積和離子容量計(jì)算出來(lái)的理論電容值的四分之一。

　　　電池與超電容

　　有些文獻(xiàn)喜歡將電池和超電容混為一談，掩蓋了二者很多重要的差異：

　　電池存儲(chǔ)的是以瓦時(shí)計(jì)算的能量，電容存儲(chǔ)的是以瓦特計(jì)算的功率。

　　電池以長(zhǎng)時(shí)間恒定的化學(xué)反應(yīng)來(lái)提供電能，充電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)充電電流的特性要求比較苛刻。相反，電容的充電是通過(guò)加載在其兩端的電壓來(lái)完成的，充電速度在很大程度上取決于外部電阻。電池能夠在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)以基本恒定的電壓輸出電能。而電容的放電速度很快，輸出電壓呈指數(shù)規(guī)律衰減。

　　電池只能夠在有限的充/放電次數(shù)內(nèi)保持良好的工作狀態(tài)，充/放電的次數(shù)取決于它們放電的程度。電容，尤其是超電容，可以反復(fù)充/放電達(dá)數(shù)千萬(wàn)次。(這也是超電容不同于電解化學(xué)的一個(gè)重要方面——它們不像電解化學(xué)的工作過(guò)程那樣具有電極板充放電次數(shù)的限制。)

　　電池比較笨重，電容比較輕巧。

　　電池與電容的很多差異可以用Ragone圖來(lái)形象地說(shuō)明(如圖2所示)。Ragone圖常用于分析，但是實(shí)際上，Ragone圖是Y軸上的能量密度(單位是Wh/kg)與X軸上的功率密度(單位是W/kg)二者之間的雙對(duì)數(shù)(log-log)關(guān)系圖。由于是雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，放電時(shí)間可以表示為直線對(duì)角參數(shù)。

　　圖2：Ragone圖表示儲(chǔ)能器件的能量密度與功率密度之間的對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)關(guān)系，其中放電時(shí)間表示為斜對(duì)角線。該圖也十分便于比較電池與超電容的特性。

　　圖2中的Ragone圖表示不同種類的化學(xué)電池(聚集在圖的左側(cè))和不同種類的電容(圖的右側(cè))之間的差異。根據(jù)Ragone圖綜合來(lái)看，這些特性使得電池和超電容之間構(gòu)成了互補(bǔ)的而不是對(duì)立的關(guān)系。實(shí)際上，這就是它們得以普遍應(yīng)用的原因。

　　最新應(yīng)用

　　超電容最主要的應(yīng)用是用來(lái)穩(wěn)定直流總線電壓。超電容已在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于保護(hù)各種引擎控制部件和微控制器免受瞬態(tài)負(fù)載突變導(dǎo)致的電壓暫降的干擾。(電壓尖脈沖由其他方法來(lái)處理。)

　　這些瞬態(tài)負(fù)載突變通常與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)。但是，如果車載娛樂(lè)系統(tǒng)的揚(yáng)聲器輸出功率比較強(qiáng)，那么這種負(fù)載也可能來(lái)源于音頻脈峰。與在車載娛樂(lè)系統(tǒng)的12V電壓輸入端簡(jiǎn)單放置一個(gè)超電容不同的是，一份來(lái)自澳大利亞超電容制造商Cap-XX的應(yīng)用說(shuō)明給出了一種增大D級(jí)輸出放大器H橋電壓的方法(如圖3所示)。其中采用了一個(gè)小型的升壓轉(zhuǎn)換器，將偶然脈峰所需的功率存儲(chǔ)在一對(duì)超電容內(nèi)。

　　圖3：在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，超電容常與微控制器結(jié)合使用，以保護(hù)它們不受總線電壓突降的影響。圖中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)一步采用了一個(gè)小型的升壓轉(zhuǎn)換器對(duì)兩個(gè)超電容進(jìn)行“升壓”，之后這兩個(gè)超電容為D級(jí)音頻放大器中的H橋供電。

　　另外在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，超電容具有快速吸收和釋放能量的能力，比電池更適合于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)機(jī)制。大多數(shù)這類用途已經(jīng)在公共運(yùn)輸行業(yè)得以應(yīng)用(如圖4所示)。德國(guó)曼海姆市輕軌系統(tǒng)中的Bombardier有軌電車采用600個(gè)2600F的超電容組實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收機(jī)制。所存儲(chǔ)的能量被用于車輛的加速推進(jìn)以及無(wú)動(dòng)力路段和交叉路口的動(dòng)力銜接。這是一種全電氣化的軌道系統(tǒng)，回收的剎車能量減少了所需的輸電網(wǎng)絡(luò)。從這一點(diǎn)上來(lái)看，該原型系統(tǒng)證明能夠達(dá)到30%的節(jié)能效果。

　　圖4：在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，超電容對(duì)于再生制動(dòng)技術(shù)是非常有用的，因?yàn)樗軌虼鎯?chǔ)車輛制動(dòng)的能量并在需要的時(shí)候釋放大量的能量。

　　曼海姆將超電容安裝在有軌電車的車身上，另外一種方法就是將超電容安裝在軌道兩旁。在演示這一實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，西門子運(yùn)輸系統(tǒng)公司在其Sitras SES系統(tǒng)中采用超電容實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量的回收裝置，并應(yīng)用于科隆和馬德里的地鐵線路上。在典型的軌道旁實(shí)現(xiàn)方案中，超電容能夠吸收半徑3km以內(nèi)所有列車的制動(dòng)能量。

　　在美國(guó)的混合交通運(yùn)輸應(yīng)用中，運(yùn)行在Elk Grove和Long Beach的ISE公司的巴士，比普通巴士具有更快的加速性能。在車輛毛重情況下，這種巴士能夠在17秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)0到31mph的加速度，并且能夠達(dá)到62mph的最大速度。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，基于超電容的系統(tǒng)相比基于電池的混合電動(dòng)系統(tǒng)具有更高的平均燃料效率。利用這種超電容加上電池設(shè)計(jì)的混合巴士汽車能夠回收38%的推進(jìn)能量，這相當(dāng)于將燃料效率平均提高了3.9英里/加侖。

　　ISE研發(fā)了自己的熱控模塊，每個(gè)模塊采用了144個(gè)18F的超電容。這種模塊在400A的電流下能夠提供360V的電壓。一對(duì)這樣的模塊相互串聯(lián)能夠?qū)崿F(xiàn)720V的額定電壓(800V峰值電壓)。這種雙組件結(jié)構(gòu)支持高達(dá)300kW功率水平下的充放電周期，能夠存儲(chǔ)約0.6kWh的能量。

　　再生制動(dòng)技術(shù)能夠回收動(dòng)能。這類應(yīng)用還能夠回收勢(shì)能。最近的一個(gè)實(shí)例是應(yīng)用在鏟車上，但是更廣泛的潛在應(yīng)用市場(chǎng)是建筑電梯系統(tǒng)。

　　在鏟車應(yīng)用領(lǐng)域，General Hydrogen推出了一種新型的“Hydricity Packs”燃料電池系統(tǒng)，其大小能夠直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)設(shè)備中的鉛蓄電池。其中的超電容組能夠在每次裝卸叉攜帶托盤下降時(shí)存儲(chǔ)勢(shì)能，在提升重物需要增強(qiáng)功率時(shí)釋放能量。圖5給出了典型的鏟車功率使用分布圖，很好地說(shuō)明了燃料電池和超電容二者的協(xié)同作用。

　　圖5：鏟車在降下貨物時(shí)可以捕捉并存儲(chǔ)相應(yīng)的勢(shì)能，這些能量可用于將其他貨物抬升到較高的存貨區(qū)。該鏟車能量的時(shí)間關(guān)系圖表示氫燃料電池與超電容陣列分擔(dān)負(fù)載的情況。

　　短暫的放電時(shí)間對(duì)某些超電容應(yīng)用是有積極作用的。在歐洲的風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)中，最新的風(fēng)電渦輪葉片直徑達(dá)到了160ft，輪軸距離地面250ft高。在風(fēng)力較大時(shí)，葉片轉(zhuǎn)速較快，以免渦輪發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn)。這需要為每個(gè)葉片設(shè)置大扭矩的調(diào)節(jié)電機(jī)以及相應(yīng)的電源。

　　盡管可以利用鉛蓄電池實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)，但是人們?cè)谠O(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪時(shí)采用了超電容。電池可能需要定期的維護(hù)，而超電容卻不需要。當(dāng)然，維護(hù)電池的工作需要雇用一些熟練的服務(wù)人員攀爬塔架。他們必須專注于繁重的維護(hù)工作，不斷在幾千座塔架上爬上爬下，才能對(duì)電池進(jìn)行有效的維護(hù)。

　　電路設(shè)計(jì)

　　超電容、電池、燃料電池和太陽(yáng)能電池板的相互結(jié)合產(chǎn)生了很多新穎的設(shè)計(jì)方案。最近在達(dá)拉斯召開的功率電子技術(shù)大會(huì)上發(fā)表的論文中介紹了很多這類方案，代表了該技術(shù)的當(dāng)前最新發(fā)展水平。

　　在一篇名為“Storing Power with Super Capacitors”的論文中，Advanced Analogic Technologies公司的Thomas DeLurio指出，某些便攜式應(yīng)用，例如GSM、GPRS或WiMAX通信所使用的無(wú)線數(shù)據(jù)卡，在數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸過(guò)程中需要峰值電流的支持，而這種峰值電流超出了PC卡、CF卡或USB標(biāo)準(zhǔn)的范疇。

　　DeLurio還發(fā)現(xiàn)在手機(jī)相機(jī)的LED閃光照明裝置上也存在類似的問(wèn)題。他說(shuō)，“設(shè)計(jì)者的面臨挑戰(zhàn)在于如何以一種最有效的方式將電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器和超級(jí)電容互連起來(lái)，限制超級(jí)電容的充電電流，在負(fù)荷事件之間對(duì)電容不斷進(jìn)行重新充電。”

　　DeLurio認(rèn)為，超電容的問(wèn)題在于它們的ESR(equivalent series resistance，等效串聯(lián)電阻)較低。當(dāng)最初電容放電之后，它對(duì)于充電電路而言就像是一個(gè)低值電阻。由此而產(chǎn)生的瞬間起峰大電流實(shí)際上造成了電池的短路。此外，他指出，“所有這種類型的電路都需要短路、過(guò)壓和電流保護(hù)機(jī)制。”

　　設(shè)計(jì)者可以采用電阻串聯(lián)的方式來(lái)限制電流，但是這種方案會(huì)導(dǎo)致電容的充電時(shí)間太長(zhǎng)而無(wú)法接受。DeLurio介紹了一種PC卡應(yīng)用，其中為限制PC卡主機(jī)/卡通信電流而設(shè)置的電阻使得充電時(shí)間達(dá)到了7分鐘的量級(jí)。

　　在主機(jī)/卡通信之后采用更大的電流可以縮短充電時(shí)間。實(shí)際上，如果將這一原理進(jìn)一步擴(kuò)展，那么在電容充電的過(guò)程中可以采用某種方式在一連串電阻上進(jìn)行切換，從而達(dá)到控制電流的目的。

　　但是這種方法“要求必須對(duì)切換點(diǎn)的時(shí)機(jī)進(jìn)行精確的控制，這可能需要非常精準(zhǔn)和昂貴的電阻，或者采用額外的電壓檢測(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，” DeLurio說(shuō)，“而且，當(dāng)電容完全充電并將PC卡拔掉時(shí)，存儲(chǔ)在電容內(nèi)的能量足以損壞插腳。”

　　相反，DeLurio介紹了Analogic Tech推出的一種新型“智能開關(guān)”。AAT4620型限電流P溝道MOSFET電源開關(guān)是針對(duì)無(wú)線卡超電容應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的。它有兩套獨(dú)立的、電阻可編程的電流限制電路，以及受控于AAT4620核心溫度的功率環(huán)路。

　　Microchip公司的Keith Curtis發(fā)表的“Super-Capacitor Power Storage”一文首先指出，采用線性充電器對(duì)超電容進(jìn)行充電是無(wú)效的。他接著介紹了一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的DC-DC降壓調(diào)節(jié)器(如圖6a所示)作為合適的充電電路，因?yàn)檫@種電路能夠“調(diào)節(jié)電容的充電電流，與輸出電壓無(wú)關(guān)……使用電壓反饋?zhàn)鳛榕袛喑潆娛欠裢瓿傻囊罁?jù)。”

　　圖6：為了在衛(wèi)星系統(tǒng)中同時(shí)集成電池、太陽(yáng)能電池板和超電容，Microchip和AMSAT的設(shè)計(jì)人員采用了一種改進(jìn)的開關(guān)式降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)超電容進(jìn)行充電(a)。通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器的放電將會(huì)使超電容正常的指數(shù)式放電曲線趨于平坦，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的方式(b)采用了很多相同的元件。

　　這種電路的效果與DeLurio之前介紹的類似，但是更具通用性。對(duì)于該電路的工作方式，“電流……通過(guò)比較電感器中的電流與兩個(gè)固定的電流值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié);一個(gè)是預(yù)期的最大電流，另一個(gè)是最小電流，” Curtis說(shuō)。

　　“最初，電感器只需很短的時(shí)間就能夠從最小電流上升到最大電流，因?yàn)殡姼衅魃系碾妷禾幱谧畲笾怠７烹姇r(shí)間將會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，因?yàn)殡姼斜仨毞烹姷揭粋€(gè)相對(duì)較低的電壓值，”他指出，“但是，隨著電容內(nèi)電荷的增加，電壓差將會(huì)下降——增大上升時(shí)間——電容電壓將會(huì)升高，縮短放電時(shí)間。”

　　Curtis指出，開關(guān)頻率取決于“采用兩個(gè)比較器和一個(gè)SR觸發(fā)器的張弛振蕩器，555-timer-style系統(tǒng)”，因此，電感器的元件值決定該頻率的大小。

　　然后，Curtis采用類似的邏輯實(shí)現(xiàn)了一種開關(guān)式的升壓電路，用于將電容的輸出電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)合理的恒定負(fù)載電壓。最終，Curtis實(shí)現(xiàn)了一種降壓/升壓充-放電的組合電路，其中采用一個(gè)開關(guān)MOSFET取代了充電電路中的回掃二極管(如圖6b所示)，采用一個(gè)PIC微控制器實(shí)現(xiàn)控制功能以及大部分必需的外設(shè)功能。

　　Microchip與以業(yè)余無(wú)線電衛(wèi)星研發(fā)為目標(biāo)的非營(yíng)利性私有機(jī)構(gòu)AMSAT-NA開展了項(xiàng)目合作。AMSAT的下一個(gè)大型項(xiàng)目——Eagle衛(wèi)星，計(jì)劃于2009年3月發(fā)射。為了確保Eagle能夠連續(xù)工作幾十年，其電源系統(tǒng)將在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，將太陽(yáng)能電池板、鋰離子電池和超電容集成到一套電源系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)每種元件的優(yōu)化使用。