超级电容器（法拉电容）满足高性能电源应用的新能量存储方案选择
2024-10-22
超级电容器（法拉电容）满足高性能电源应用的新能量存储方案选择
超级电容具有高功率密度和能量密度、使用寿命很长、尺寸等特性，可满足高性能电源应用的需求。这些新的能量存储方案及其使用方式进行了分析。
如今性能和可靠性是每个设计所必需的，对工程师来说，能量存储一直是他们设计中的致命弱点。在过去，备份电源的解决方案就是电池，主要是铅酸电池。而现在，工程师有更多的选择来满足备份电源的需求，包括锂离子、镍氢电池等先进的电池技术、燃料电池、太阳能电池以及双层电容。
锂离子、镍氢电池和其它电池技术在提供可靠的能量存储解决方案上已取得很大进步。它们已在许多设计中得到应用，并解决了以往的许多成本问题，但设计工程师最终仍面临着与使用铅酸电池时一样的问题，即所有这些技术都是基于化学反应，它们的使用寿命有限并受温度的限制，而且对大电流的需求也会直接影响它们的使用寿命。因此，这些电池技术在持久性和可靠应用方面还面临着一些挑战。
燃料电池是新出现的一种非常有吸引力的电池技术，正在逐步进入许多应用中，而近来对它们也有不少的宣传。燃料电池的最终应用领域是在汽车上，但在过渡期间，它们已出现在备用电源市场。将燃料电池用作备用电源以及主电源的关键问题是这些电池的启动时间和动态功率反应。燃料电池尽管具有优异的能量密度，但动态功率低，因此它们需要一种增强技术用于功率辅助和启动。
同期出现的还有超级电容，或者称为电化学双层电容(EDLC)。超级电容与电解电容相比，具有非常高的功率密度和实质的能量密度。在过去几年，这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。
超级电容是功率密度高达20kW/kg的超高功率器件，尽管能量仍只有电池的一小部分。超级电容的尺寸非常紧凑(小的超级电容通常只有邮票大小或者更小)，但它们可存储的能量比传统电容要高得多，并且放电速度可以很快也可以很慢。它们的使用寿命非常长，可被设计成用于终端产品的整个生命周期。高能量电池和/或燃料电池可实现高功率特性和长的工作寿命。
尽管全球有好几家超级电容厂商提供多种产品，但大多数双层电容基本上是以相似的方式构造的。超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似，主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容里，电极基于碳材料，可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小，使超级电容具有很高的能量密度。大多数超级电容的容量用法拉(F)标定，通常在1F到5,000F之间。
根据应用需要，超级电容可以替代电池或者作为更小的经济型电池。超级电容的等效串联电阻(ESR)很小，可提供和吸收非常大的电流；它采用“机械式”而不是化学电荷的载流子机制，因而具有很长并可预测的使用寿命，而且随着时间的推移，其性能变化也更小。这些特性能使再生制动以及其它需要快速充电的产品(如玩具和工具)等应用从中受益。
有一些应用适合采用电池/超级电容系统，设计可进行优化以避免电池对能量需求来说过于庞大。这些应用实例包括汽车应用(如混合动力汽车)和消费电子(如数码相机)，在数码相机里，廉价的碱性电池结合超级电容一起使用(而
另外一种燃料电池是质子交换膜(PEM)，它是一种高效率能量转换器件，其连续工作时间与氢燃料电池相当。它符合绿色环保要求，可以为很多应用提供可靠的备用电源。超级电容和PEM燃料电池系统的几个特性使它们非常适合作为互补器件一起使用。它们都是低电压高电流的器件。超级电容具有ESR小、电荷存储容量大的特性，能迅速提供大电流而电压改变则很小，可对峰值功率需求产生一个短暂的缓冲响应。这使燃料电池可保持其静态工作点而无需降低效率。
