超級電容器：利用納米技術(shù)收集能量

超級電容器是一種電化學(xué)裝置，可與電流驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)系統(tǒng)中的主發(fā)電機(jī)很好地集成。它們的特點(diǎn)是可以在短時(shí)間內(nèi)（秒）提供高電力，而主發(fā)電機(jī)（電池、燃料電池）更適合長時(shí)間和恒定負(fù)載供電。超級電容器有利地耦合到電池和燃料電池系統(tǒng)、電動(dòng)車輛、收發(fā)器、攝像機(jī)、UPS中，在這些系統(tǒng)中，在操作期間發(fā)生對電力的可變需求。

技術(shù)

超級電容器，也稱為超級電容器或電化學(xué)電容器，使用高表面積電極材料和薄電解電介質(zhì)來達(dá)到比傳統(tǒng)電容器高幾個(gè)數(shù)量級的容量（它們減少了電極之間的距離 D）。通過這種方式，超級電容器可以達(dá)到更高的能量密度，同時(shí)保持傳統(tǒng)電容器高功率密度的特性（圖 1）。

圖 1：傳統(tǒng)電容器圖

A supercapacitor is a double layer capacitor with very high capacity but low voltage limits. Supercapacitors store more energy than electrolytic capacitors and are classified in farad (F). They consist of two metal plates coated only with a porous material known as activated carbon. As a result, they have a larger area for storing more charge. They have a low leakage current and are suitable in many applications that can operate in the 1.8 V – 2.5 V range. The plates are immersed in an electrolyte consisting of positive and negative ions dissolved in a solvent. When a voltage is applied, two separate charge layers are produced on the surface with a reduced separation distance compared to the classic capacitors.

Therefore, supercapacitors are often referred to as double-layer electric capacitors or EDLCs. The life of a supercapacitor lasts from 10 to 20 years, and the capacity could be reduced from 100% to 80% after about 8-10 years. Thanks to their low equivalent series resistance (ESR), supercapacitors provide high load currents to obtain an almost immediate charge in a few seconds. Micro-supercapacitors are MEMS-like devices of micrometric dimensions, suitable for flexible applications where bending micro-supercapacitors several times does not affect performance. This is ideal for wearables and IoT applications.

Double-layer concept

由于電容器的電容與電極的表面成正比，因此優(yōu)先使用電化學(xué)惰性材料。這是由于較大的比表面積和適當(dāng)?shù)那惑w幾何形狀以形成具有最大數(shù)量電解離子的雙層基板。在開發(fā)階段遇到的最大困難在于找到合適的同時(shí)又經(jīng)濟(jì)的材料。在具有這些特性的材料中，最有趣的是碳和一些金屬氧化物。

碳更廣泛地用作活性炭，在較小程度上以纖維和凝膠的形式使用，目前進(jìn)一步的研究集中在納米管和石墨烯的使用上。為了最大限度地提高容量，有必要開發(fā)具有這種形態(tài)的碳結(jié)構(gòu)，以便為電解離子提供良好的可及性。從實(shí)用的角度來看，考慮到器件的尺寸，優(yōu)化碳電極的最關(guān)鍵參數(shù)是其容量密度。

目前最好的碳電極每單位質(zhì)量的表面積值達(dá)到 3000 m2 / g 的數(shù)量級，允許容量值等于 250 F / g；它們通常由碳粉制成，沉積在金屬歧管上。粉末被壓制（燒結(jié)）或與纖維或金屬粉末混合，以提高導(dǎo)電性。

電極的性能不僅取決于材料的性質(zhì)，還取決于一些幾何因素。必須盡量減少離子和電子路徑以實(shí)現(xiàn)高功率，因此盡可能減少電極的厚度以縮短到其表面的離子路徑，同時(shí)減小電極寬度以縮短電子路徑。這些措施的結(jié)果是，在給定的體積內(nèi)，并聯(lián)的層數(shù)較多，電流路徑的截面增加而距離減小，從而導(dǎo)致更低的 ESR 和更高的功率。另一方面，這種幾何考慮也會(huì)導(dǎo)致能量密度的降低，因此必然是功率和能量需求之間折衷的結(jié)果（圖2）。

圖 2：與超級電容器 (EDLC) 相比的電容和電壓。

電路模型

在設(shè)計(jì)基于超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，需要等效電路模型來適當(dāng)?shù)貓?zhí)行以下任務(wù)：

? 計(jì)算所需超級電容器的數(shù)量?？紤]超級電容器的特性來確定所需超級電容器的數(shù)量并結(jié)合存儲(chǔ)系統(tǒng)的能量和功率需求是合適的。在這些條件下，等效電路模型將有助于工程師的工作，簡化使用商業(yè)軟件執(zhí)行的計(jì)算和模擬。

? 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)挠布蛙浖砉芾?a target="_blank">電源轉(zhuǎn)換器中的電壓電平。超級電容器的特點(diǎn)之一是，可以在很寬的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，因此通常需要使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來滿足下游應(yīng)用需求。超級電容器在由轉(zhuǎn)換器充電時(shí)表現(xiàn)得像負(fù)載，而在放電期間充當(dāng)電源。設(shè)計(jì)人員使用等效電路模型來非常近似地確定超級電容器在此類條件下的動(dòng)態(tài)行為。

? 設(shè)計(jì)能源管理方案。這對于電力存儲(chǔ)系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)榫脑O(shè)計(jì)的方案允許使用最少數(shù)量的超級電容器符合能源和功率規(guī)范，并顯著提高系統(tǒng)的可靠性。只有在可以預(yù)測特定條件下超級電容器的行為時(shí)，能量管理方案才能執(zhí)行其任務(wù)。

? 在超級電容器組中設(shè)計(jì)電壓平衡電路。

通常，存儲(chǔ)系統(tǒng)采用一定數(shù)量的串聯(lián)超級電容器，并且由于各個(gè)電池之間的電容和漏電流差異，其中一些可能存在過壓風(fēng)險(xiǎn)。要避免的風(fēng)險(xiǎn)。為此，使用電壓平衡系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)必須考慮超級電容器充電和放電階段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此其電路模型將提供必要的信息（圖 3 和圖 4）。

圖 3：超級電容器的等效電路

超級電容器最簡單的電路模型，如圖 4 所示，由包含電阻器 (R) 的單個(gè)支路組成，電阻器 (R) 表示元件與電容 (C) 串聯(lián)的歐姆損耗，模擬超級電容器在充電和放電循環(huán)。

圖 4：物聯(lián)網(wǎng)超級電容器的典型應(yīng)用

改進(jìn)后的模型可分為三類：并聯(lián)支路RC模型、傳輸線RC模型和串并聯(lián)RC模型。

解決方案和電源管理 IC

CAP-XX 已開發(fā)出單缸 (2.7 V) 和雙電池 (5.4 V) 圓柱形超級電容器，可為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備提供高峰值功率和低 ESR，成本具有競爭力。Maxwell 超級電容器非常適合從混合動(dòng)力汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備等應(yīng)用。這些超級電容器有多種尺寸、容量和模塊化配置可供選擇，可以延長電池壽命，或者在某些情況下完全更換電池。
Murata 的超薄 DMH 超級電容器在 20 x 20 x 0.4 毫米封裝中提供 35 mF 容量、4.5 V 標(biāo)稱電壓和 300 mΩ ESR。
TDK EDLC 采用最新材料技術(shù)制成，非常適合用于輔助電源和能量收集設(shè)備等應(yīng)用。該解決方案提供多種容量，工作電壓介于 3.2 和 5.5 V 之間。

根據(jù)應(yīng)用，工程師可以選擇各種明確設(shè)計(jì)的設(shè)備來處理超級電容器的獨(dú)特充電/放電要求。ADI 公司提供 LTC3350，這是一款電源控制器，能夠加載和監(jiān)控多達(dá)四個(gè)超級電容器的一系列堆棧。

圖 5：LTC3350 的典型應(yīng)用

Maxim Integrated H 橋驅(qū)動(dòng)器 MAX13256 是另一種為超級電容器充電的解決方案。在超級電容器的正極導(dǎo)體和電路的輸出之間并聯(lián)添加一個(gè)二極管和一個(gè)電阻器，限制了正常操作期間用于再充電的電流（圖 5）。

結(jié)論

超級電容器是一種新興的儲(chǔ)能技術(shù)，將在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的未來發(fā)揮重要作用。盡管與其他電池技術(shù)相比，鋰離子電池越來越搶占市場，但在功率和循環(huán)次數(shù)方面，它們永遠(yuǎn)無法與超級電容器競爭。電池和超級電容器的組合為汽車領(lǐng)域的許多電源管理系統(tǒng)提供了最佳解決方案。對于電動(dòng)汽車，超級電容器已在啟動(dòng)/停止系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)輔助和充電站中找到了空間。