談談混合超級電容器

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

雙電層電容器(EDLC)通常被稱為「超級電容器」(supercapacitor或ultracapacitor),是一種能量驚人的被動儲能元件…

雙電層電容器(EDLC)通常被稱為「超級電容器」(supercapacitor或ultracapacitor),是一種能量驚人的被動儲能元件。由於其電容高達幾法拉(farad,單位符號為F),而且尺寸小,因此無論是對於體積還是重量,都實現了高密度的能量儲存。在遠距離感測、物聯網(IoT)和透過能量採集供電的應用中,超級電容器被用來替代可充電電池;有時候超級電容器可以與電池結合使用,以克服電化學儲能元件的一些弱點。

超級電容器並不是天生就優於其他電池,它和可充電電池(無論化學性質如何)各有其優勢和劣勢。採用哪種元件更適合是根據應用的需要來決定,在某些應用中可能兩者都需要。

相比只選擇一個甚或兩個元件作為兩個離散元件的方法,還有一種有趣的替代方案,稱為混合超級電容器。這種儲能元件並不是簡單地將一個可充電電池和一個超級電容器封裝在一起,相反地,它採用了一種獨特的結構,其中的單個元件既是一個超級電容器又是一個鋰離子電池,如圖1所示。

 

圖 1:從混合超級電容器結構的頂層視圖來看,它並不是一個超級電容器和一個電池共用一個2端子封裝。

(來源:Taiyo Yuden)

 

混合超級電容器的供應商目前有Taiyo Yuden(該公司稱其產品為鋰離子超級電容器,明確指出了所採用的技術)、Eaton和Maxwell(已被特斯拉收購)。

表1比較了標準的超級電容器和鋰離子充電。這類表格有很多,但請記住,每個資料來源和供應商都有各自不同的角度,而且技術本身也在快速發展。

 

表 1:超級電容器與鋰離子充電電池特性比較。如果資訊來源和時間不同,每種特性的資料也可能不同。

(來源:Maxwell,透過Battery University提供)

 

儘管混合超級電容器優勢明顯,但筆者對混合元件和結構總是感覺很複雜。一方面,將兩種技術或材料相結合,往往能克服一些弱點同時仍保留各自的優點。這不僅適用於電子領域,也適用於其他領域,例如用鋼筋加固的混凝土,或用作最新一代飛機機身及附加物外層的碳纖維增強聚合物(CFRP)。

另一方面,這種組合有時也會帶來新的問題。例如,與針對單一用途進行最佳化的設備,多功能測試設備的規格可能會降低,或者靈活性變小。一個非電子產品的例子是廣為人知的「瑞士刀」,每個單獨的工具可能都「夠好」,但又絕對比不上專用工具,然而其整個刀片/附件及包裝在尺寸、重量和成本方面都具備優勢。

混合超級電容器還存在管理的難題。鋰離子充電電池在監控充電和放電率、庫侖(coulomb)計數、溫度(這裡僅引用幾個參數)等方面有其特定的要求,而超級電容器對類似參數也有自己的特定要求。那麼,如何管理混合超級電容器?管理策略是否會發生衝突?也許這兩者夠相似,因而可以採用一種方法來管理這種2端子混合元件?

此時我想到了穿隧二極體(tunnel diode):儘管它具有一些非常吸引人的性能特徵,但這個2端子元件沒有明顯的輸入-輸出-接地連接,實際用起來相當困難,因此並不受歡迎;PIN二極體也是如此,只需看看它的一些應用電路原理圖就知道。Maxim Integrated Products最近推出的MAX38889是一款 2.5V~5.5V、3A 可逆降壓/升壓穩壓器,專門針對超級電容器備份應用進行了最佳化,這類IC是否可以很好地管理兩種元件呢?(圖2)

 

圖 2:MAX38889專用於實現超級電容器的管理,電路中可能有電池。

(來源:Maxim Integrated Products)

 

在碰到難題時是否需要採用混合超級電容器解決方案,通常難以權衡。混合超級電容器的一個構成部分可以彌補另一個構成部分的一個或多個短處,這固然是一個很明顯的優勢,但在許多情況下也會導致新的缺點。

所以,採用混合超級電容器是否有用?答案很簡單:視情況而定。在某些情況下,因採用混合超級電容器而產生的缺點在應用中是不可接受的;而在另一些情況下,可能好處大於壞處。定量地說,就是模型不僅要解決「1 +1 <、= 或 > 2」的問題,還必須評估解決方案造成的任何缺口。

除了混合超級電容器,對於其他混合(組合或合併)解決方案,你是否有經驗可以分享?整體好處是否比帶來的任何不利影響更重要?你如何在混合方案的優缺點之間進行平衡呢?歡迎與我們分享。

(參考原文:Looking at Hybrid Supercapacitors,by Bill Schweber)

本文同步刊登於《EDN China 》9月號雜誌

 

 

 

 

 

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