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聊一聊混合超级电容器的优缺点

时间:2021-12-17 06:31:29 作者:Bill Schweber 阅读:
混合超级电容器并不是简单地将一个可充电电池和一个超级电容器打包在一起。相反,它采用了一种独特的结构,其中的单个组件既是一个超级电容器又是一个锂离子电池。
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双电层电容器(EDLC)通常被称为“超级电容器(supercapacitor或ultracapacitor)”,是一种能量惊人的无源储能元件。由于其电容高达几法拉,而且尺寸小,因此无论是对于体积还是重量,都实现了高密度的能量存储。在远距离感应、物联网和通过能量采集供电的应用中,超级电容器被用来替代可充电电池;有时候超级电容器可以与电池结合使用,以克服电化学储能元件的一些弱点。超级电容器并不是天生就优于其他电池,它和可充电电池(无论化学性质如何)各有其优势和劣势。采用哪种元件更适合是根据应用的需要来决定的,在某些应用中可能两者都需要。

相比这种只选择一种器件甚或两种器件作为两个分立组件的方法,还有一种有趣的替代方案,称为混合超级电容器。这种储能器件并不是简单地将一个可充电电池和一个超级电容器打包在一起。相反,它采用了一种独特的结构,其中的单个组件既是一个超级电容器又是一个锂离子电池,如图1所示。

图1:从混合超级电容器结构的顶层视图来看,它并不是一个超级电容器和一个电池共享一个2端子封装。(图片来源:Taiyo Yuden)

混合超级电容器的供应商目前有Taiyo Yuden(该公司称其产品为锂离子超级电容器,明确指出了所采用的技术)、Eaton和Maxwell(被特斯拉收购)。

表1对标准的超级电容器和锂离子充电电池进行了比较。这类表格有很多,但请记住,每个资料来源和供应商都有各自不同的角度,而且技术本身也在快速发展。

表1:超级电容器与锂离子充电电池主要特性之比较。信息来源和时间不同,每种特性的数据也可能不同。(图片来源:Maxwell公司)

尽管混合超级电容器优势明显,但我对混合器件和结构的感情总是很复杂。一方面,将两种技术或材料相结合,往往能克服一些弱点同时仍保留各自的优点。这不仅适用于电子领域,也适用于其它领域,例如用钢筋加固的混凝土,或用作最新一代飞机机身及附件外层的碳纤维增强聚合物(CFRP)。

另一方面,这种组合有时也会带来新的问题。例如,与针对单一用途进行优化的设备,多功能测试设备的规格可能会降低,或者灵活性减小。一个非电子产品的例子是广为人知的“瑞士军刀”,每个单独的工具可能都“够好”,但又绝对比不上专用工具,然而其整个刀片/附件及包装在尺寸、重量和成本方面都具备优势。

混合超级电容器还存在管理的难题。锂离子充电电池在监控充电和放电率、库仑计数、温度(这里仅引用几个参数)等方面有其特定的要求,而超级电容器对类似参数也有自己的特定要求。那么,如何管理混合超级电容器?管理策略是否会发生冲突?也许这两者足够相似,因而可以采用一种方法来管理这种2端子混合器件?

此时我想到了隧穿二极管:尽管它具有一些非常吸引人的性能特征,但这个2端子器件没有明显的输入-输出-接地连接,实际用起来相当困难,因此并不受欢迎;PIN二极管也是如此,只需看看它的一些应用电路原理图就知道。美信最近推出的MAX38889是一款2.5V至5.5V、3A可逆降压/升压稳压器,专门针对超级电容器备份应用进行了优化,这类IC是否可以很好地管理两种器件呢?(图2)

图 2:MAX38889专用于实现超级电容器的管理,电路中可能有电池。(图片来源:Maxim Integrated Products)

在碰到难题时是否需要采用混合超级电容器解决方案,通常难以权衡。混合超级电容器的一个构成部分可以弥补另一个构成部分的一个或多个短处,这固然是一个很明显的优势,但在许多情况下也会出现新的缺点。

那么,采用混合超级电容器是否有用?答案很简单:视情况而定。在某些情况下,因采用混合超级电容器而产生的缺点在应用中是不可接受的;而在另一些情况下,可能好处大于坏处。定量地说,就是模型不仅要解决“1+1<、=或>2”的问题,还必须评估解决方案造成的任何问题。

除了混合超级电容器,对于其它混合(组合或合并)解决方案,你是否有经验可以分享?整体好处是否比带来的任何不利影响更重要?你如何在混合方案的优缺点之间进行平衡呢?欢迎与我们分享。

编译:Jenny Liao

(原文刊登于EETimes美国版,参考链接:Looking at Hybrid Supercapacitors,by Bill Schweber)

本文同步刊登于《电子技术设计》 20219杂志 

责编:Luffy Liu

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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