結合超級電容解決方案的電源管理策略
2020-11-05
作者
Vanessa Jakob，儒卓力電容產品銷售經理；Jürgen Auer，Sech業務與行銷副總裁
未來的數位世界可望為人們帶來更舒適、更安全的生活。不過自動駕駛、交通標誌的自動偵測以及許多其他功能都要求不間斷的資料連接，因此需要安全穩定的持續電源供應。
如今，電信和車載資通訊系統(telematics)採用的大多數不斷電系統(UPS)都以電池技術為基礎，這些技術甚至用於緩衝峰值負載。由於電池技術具備相對較高的能量密度、成熟度以及被使用多年的熟悉度，因而在此類應用中具有一定的優勢。所以這些應用的架構是專門為配合現有電池技術的特性而設計的。
另一方面，超級電容(ultracapacitor)近二十年來已經成功地在眾多應用中，作為峰值和備用電源解決方案，包括風力發電渦輪機、行動基地台、工業機器人，以及其他各種電子裝置和工業機器。近年來，由於各種大量應用的需求不斷成長，超級電容已發展成為能量儲存裝置，從成本和性能兩方面來看，也可用作大型和小型UPS系統的替代品，作為資料中心、醫院和高科技製造工廠的備用電源。
典型超級電容系統的規模從幾千瓦(kilowatt)起步，並且可以利用模組化解決方案輕易擴展到兆瓦級(megawatt)規模的系統。在這些解決方案中，可以連結許多單個超級電容單元以組成模組甚至系統。
峰值電源和短期備用的理想選擇
無論所需的功率等級如何，所有這些應用都要快速供電，以提供所需的峰值功率或者應對現今大部分非常短暫的停機時間。如果長時間停電，工廠或系統將被設置為安全狀態(正常關機)。峰值功率和停電時間通常在幾毫秒(millisecond)到20秒之間，超級電容特別適合這些應用，因為它們能夠在數秒(或幾分之一秒)內釋放並恢復大部分儲存的能量，並且運作無數次也不會受損。
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在此類應用中，超級電容的使用壽命長達十年甚至更久。它們也易於操作，無需維護或保養，而且非常易於監控，只要使用電壓曲線便可以輕鬆評估和監測其健康狀態。鉛酸電池是目前主要的儲能方法，但即使在理想條件下，它們的使用壽命亦較短，並且會因為其電化學成分而導致意外故障。與超級電容相比，它們的監測和健康狀態檢查要複雜得多，成本也更高。另外，很難以生態永續的方式製造鉛酸電池。
超級電容則有所不同──它們的特性來自具有極大電氣表面積的活性碳材料。該材料用作電極，而浸漬在電池中的電解質可確保必需的電荷交換。
超級電容設計
根據電荷的狀態，電解質的離子以奈米級的距離堆積在活性碳(碳電極)上。由於電容與表面積直接成正比，而與電荷隙間接成正比，因此超級電容可以儲存的能量，是傳統電容器的數百倍，而充電和放電過程以靜電形式發生，有別於電池的化學反應。
所以，超級電容可以更快地捕獲和釋放儲存的能量，而不會降低性能。這使其非常適合具有高功率輸出和能量需求以及多次循環的應用。電池最多可以儲存20倍的能量，而超級電容具有非常快速的充電/放電特性，其功率密度最多可以達到電池的20倍。
電池提供大電量——超級電容確保高功率輸出
如果高能量可用性是前提條件，那麼不管採用任何一種電池技術的電池儲存系統都會是首選，儘管電池存在一些已知的缺點。
然而，結合電池和超級電容的組合使用得越來越多。值得注意的是，兩種儲存技術具有不同的電位特性：電池透過氧化還原反應──即法拉第(Faraday)或質量傳遞(mass transfer)──過程儲存和提供能量，因此保持幾乎恆定的電位，直到反應物料耗盡；另一方面，超級電容的電壓則隨著儲存的電荷而變化。
超級電容以活性碳作為電極材料。
電池和超級電容的完美組合
電池和超級電容的直接並聯組合，可以為電信和遠端資訊處理中的應用帶來很大的好處。例如，如果一些單個鋰電池(~4V)透過兩個串聯的超級電容(~2.5V)進行並聯，那麼超級電容將在傳輸過程中提供大部分所需的峰值功率，這是由於它的內部電阻非常低，而鋰離子電池則提供全部的備用電源。
這種組合大大縮短了操作時間。類似的例子可以在電信基地台的電源中找到。電信基地台需要本地能量儲存，以防電源線中出現電壓驟降和持續幾毫秒至幾秒鐘的中斷。
主動式並聯組合需要一個盡可能高效的功率處理器和一個雙向DC/DC轉換器，該轉換器要能夠輕易地應對輸入端的寬電壓波動，並且立即進行電源反轉而不會失去控制。憑藉極低的內部電阻，現今的超級電容有可能實現高效電源系統(超電容器加DC/DC轉換器)要求的90%以上效能。
當然，成本也是不能忽略的。不過整體成本效益分析顯示了組合解決方案的優勢，此外使用壽命測試顯示，結合使用超級電容可以大幅延長電池儲存系統的使用壽命，並顯著提高電源可用性。目前世界各地許多企業都專注於研究這些組合解決方案，並且已經開發了必需的電力電子設備。
本文由儒卓力(Rutronik)供稿
