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          超級電容器(法拉電容)滿(mǎn)足高性能電源應用的新能量存儲方案選擇
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            超級電容具有高功率密度和能量密度、使用壽命很長(cháng)、尺寸緊湊等特性,當它與其它新興的電池技術(shù)結合使用時(shí),可滿(mǎn)足高性能電源應用的需求。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)設計所必需的,對工程師來(lái)說(shuō),能量存儲一直是他們設計中的致命弱點(diǎn)。在過(guò)去,備份電源的解決方案就是電池,主要是鉛酸電池。而現在,工程師有更多的選擇來(lái)滿(mǎn)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(yáng)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。它們已在許多設計中得到應用,并解決了以往的許多成本問(wèn)題,但設計工程師最終仍面臨著(zhù)與使用鉛酸電池時(shí)一樣的問(wèn)題,即所有這些技術(shù)都是基于化學(xué)反應,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(huì )直接影響它們的使用壽命。因此,這些電池技術(shù)在持久性和可靠應用方面還面臨著(zhù)一些挑戰。
           
            燃料電池是新出現的一種非常有吸引力的電池技術(shù),正在逐步進(jìn)入許多應用中,而近來(lái)對它們也有不少的宣傳。燃料電池的最終應用領(lǐng)域是在汽車(chē)上,但在過(guò)渡期間,它們已出現在備用電源市場(chǎng)。將燃料電池用作備用電源以及主電源的關(guān)鍵問(wèn)題是這些電池的啟動(dòng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)功率反應。燃料電池盡管具有優(yōu)異的能量密度,但動(dòng)態(tài)功率低,因此它們需要一種增強技術(shù)用于功率輔助和啟動(dòng)。
           
            同期出現的還有超級電容,或者稱(chēng)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(guò)去幾年,這些器件已應用在消費電子、工業(yè)和汽車(chē)等許多領(lǐng)域。
           
            如今,最好的超級電容是功率密度高達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(cháng),可被設計成用于終端產(chǎn)品的整個(gè)生命周期。當與超級電容這個(gè)最新技術(shù)相結合時(shí),高能量電池和/或燃料電池可實(shí)現高功率特性和長(cháng)的工作壽命。
           
            盡管全球有好幾家超級電容廠(chǎng)商提供多種產(chǎn)品,但大多數雙層電容基本上是以相似的方式構造的。超級電容與電解電容或者電池的結構非常相似,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。大多數超級電容的容量用法拉(F)標定,通常在1F到5,000F之間。
           
            根據應用需要,超級電容可以替代電池或者作為更小的經(jīng)濟型電池。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“機械式”而不是化學(xué)電荷的載流子機制,因而具有很長(cháng)并可預測的使用壽命,而且隨著(zhù)時(shí)間的推移,其性能變化也更小。這些特性能使再生制動(dòng)以及其它需要快速充電的產(chǎn)品(如玩具和工具)等應用從中受益。
           
            有一些應用適合采用電池/超級電容系統,設計可進(jìn)行優(yōu)化以避免電池對能量需求來(lái)說(shuō)過(guò)于龐大。這些應用實(shí)例包括汽車(chē)應用(如混合動(dòng)力汽車(chē))和消費電子(如數碼相機),在數碼相機里,廉價(jià)的堿性電池結合超級電容一起使用(而
           
            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換器件,其連續工作時(shí)間與氫燃料電池相當。它符合綠色環(huán)保要求,可以為很多應用提供可靠的備用電源。超級電容和PEM燃料電池系統的幾個(gè)特性使它們非常適合作為互補器件一起使用。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。這使燃料電池可保持其靜態(tài)工作點(diǎn)而無(wú)需降低效率。
           
            在所有備份燃料電池應用中,當主電源斷掉后,備份電源需要立刻提供電源。因為燃料電池從啟動(dòng)到滿(mǎn)功率運行一般需要10秒到60秒的啟動(dòng)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用的較好選擇。如今,越來(lái)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(mǎn)足這種需求,全球的超級電容生產(chǎn)商為備用電源市場(chǎng)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(mǎn)足不同的容量和電壓需求。隨著(zhù)更多的超級電容產(chǎn)品問(wèn)世,以及可用的產(chǎn)品越來(lái)越多,設計工程師可像使用其它無(wú)源器件一樣使用超級電容。
           
            超級電容在成為備用電源的標準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)驗室里的樣品,每年只有少量銷(xiāo)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)現批量生產(chǎn)的器件被視為標準器件,每法拉容量的價(jià)格僅0.01到0.02美分。隨著(zhù)超級電容的產(chǎn)量增長(cháng)以及價(jià)格下降,許多設計工程師正在將超級電容作為標準的能量存儲器件使用,以滿(mǎn)足備份電源對高功率和高可靠性的要求。
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