未來的數(shù)字世界有望為人們帶來更舒適和更安全的生活。不過，自動(dòng)駕駛、交通標(biāo)志的自動(dòng)檢測(cè)以及許多其他功能都要求不間斷的數(shù)據(jù)連接，因此需要安全穩(wěn)定的持續(xù)電源供應(yīng)。

 

如今，電信和遠(yuǎn)程信息處理中的大多數(shù)不間斷電源(UPS)應(yīng)用都是基于電池技術(shù)，甚至用于緩沖峰值負(fù)載。在此類應(yīng)用中，由于電池技術(shù)具備相對(duì)較高的能量密度、成熟度以及被使用多年的熟悉度，因而具有一定的優(yōu)勢(shì)。所以，這些應(yīng)用的架構(gòu)是專門為配合現(xiàn)有電池技術(shù)的特性而設(shè)計(jì)的。

 

近二十年來，超級(jí)電容器已經(jīng)成功地在眾多應(yīng)用中用作峰值和備用電源解決方案，包括風(fēng)力渦輪機(jī)、移動(dòng)基站、工業(yè)機(jī)器人以及其他各種電子設(shè)備和工業(yè)機(jī)器。近年來，由于各種大批量應(yīng)用的需求不斷增長，超級(jí)電容器已發(fā)展成為能量存儲(chǔ)設(shè)備，從成本和性能兩方面來看，也可用作大型和小型UPS系統(tǒng)的替代品，作為數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院和高科技制造工廠的備用電源。典型的超級(jí)電容器系統(tǒng)規(guī)模從幾千瓦起步，并且可以通過模塊化解決方案輕易擴(kuò)展到兆瓦級(jí)規(guī)模的系統(tǒng)。在這些解決方案中，可以鏈接許多單個(gè)超級(jí)電容器單元以形成模塊甚至系統(tǒng)。

非常適合峰值電源和短期備用電源應(yīng)用

所有這些應(yīng)用(無論所需的功率等級(jí)如何)都需要快速供電，以提供所需的峰值功率或者橋接現(xiàn)今大部分非常短暫的停機(jī)時(shí)間。如果長時(shí)間停電，工廠或系統(tǒng)將被設(shè)置為安全狀態(tài)(正常關(guān)機(jī))。達(dá)到峰值功率和橋接時(shí)間通常在幾毫秒到20秒之間。超級(jí)電容器特別適合這些應(yīng)用。它們能夠在數(shù)秒(或幾分之一秒)內(nèi)釋放并恢復(fù)大部分存儲(chǔ)的能量，并且運(yùn)作無數(shù)次而不會(huì)受到損壞。在此類應(yīng)用中，它們的使用壽命長達(dá)十年甚至更久。它們也易于操作，無需維護(hù)或保養(yǎng)，且非常易于監(jiān)控?？梢允褂秒妷呵€輕松評(píng)估和監(jiān)測(cè)超級(jí)電容器的健康狀態(tài)。鉛酸電池(目前的主要儲(chǔ)能方法)即使在理想條件下的使用壽命亦較短，并且會(huì)因?yàn)槠潆娀瘜W(xué)成分而導(dǎo)致意外故障。與超級(jí)電容器相比，它們的監(jiān)測(cè)和健康檢查要復(fù)雜得多，成本也更高。另外，鉛酸電池的制造很難以生態(tài)可持續(xù)的方式進(jìn)行。

 

超級(jí)電容器則有所不同：它們的特性是基于具有極大電氣表面積的活性炭材料。該材料用作電極，而浸漬在電池中的電解質(zhì)可確保必需的電荷交換。

 

超級(jí)電容器設(shè)計(jì)

根據(jù)電荷的狀態(tài)，電解質(zhì)的離子以納米級(jí)別的距離堆積在活性炭(碳電極)上。由于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(jí)電容器可以存儲(chǔ)的能量是傳統(tǒng)電容器的數(shù)百倍。充電和放電過程以靜電形式發(fā)生，而不會(huì)像電池那樣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以，超級(jí)電容器可以更快地捕獲和釋放存儲(chǔ)的能量，且不會(huì)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(huán)的應(yīng)用。電池最多可以存儲(chǔ)20倍的能量，而超級(jí)電容器具有非?？焖俚某潆?放電特性，其功率密度最多可以達(dá)到電池的20倍。

 

電池具有高能量可用性——超級(jí)電容器則確保高功率輸出

如果高能量可用性是前提條件，那么采用任何一種電池技術(shù)的電池存儲(chǔ)系統(tǒng)都會(huì)是首選，盡管它存在一些已知的缺點(diǎn)。然而，電池和超級(jí)電容器的組合使用越來越多。值得注意的是，兩種存儲(chǔ)技術(shù)具有不同的電勢(shì)特性：電池通過氧化還原反應(yīng)(即法拉第或傳質(zhì)過程)存儲(chǔ)和提供能量，因此保持幾乎恒定的電勢(shì)，直到反應(yīng)物料耗盡。另一方面，超級(jí)電容器的電壓則隨著存儲(chǔ)的電荷而變化。

 

電池和超級(jí)電容器的完美組合

電池和超級(jí)電容器的直接并聯(lián)組合，可以為電信和遠(yuǎn)程信息處理中的應(yīng)用帶來很大的益處。例如，如果單個(gè)鋰電池(~4 V)通過兩個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容器(~2.5 V)進(jìn)行并聯(lián)，那么超級(jí)電容器將在傳輸過程中提供大部分所需的峰值功率，這是由于它的內(nèi)部電阻非常低。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(shí)間。類似的示例可以在電信基站的電源中找到。電信基站需要本地能量存儲(chǔ)，以防電源線中出現(xiàn)電壓驟降和持續(xù)幾毫秒至幾秒鐘的中斷。

 

有源并聯(lián)組合需要一個(gè)盡可能高效的功率處理器和一個(gè)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器能夠輕易地應(yīng)對(duì)輸入端的寬電壓波動(dòng)，并且立即進(jìn)行電源反轉(zhuǎn)而不會(huì)失去控制。憑借極低的內(nèi)部電阻，如今的超級(jí)電容器提供了實(shí)現(xiàn)高效電源系統(tǒng)(超電容器加DC/DC轉(zhuǎn)換器)要求的高于90%效能的可能性。當(dāng)然，成本也是不能忽略的。不過，總體成本效益分析顯示了組合解決方案的優(yōu)勢(shì)。使用壽命測(cè)試表明，結(jié)合使用超級(jí)電容器可以大大延長電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用壽命，并顯著提高電源可用性。目前世界各地的許多企業(yè)都專注于研究組合解決方案，并且已經(jīng)開發(fā)了必需的電力電子設(shè)備。

 

超級(jí)電容器以活性炭作為電極材料。