未來(lái)的數字世界有望為人們帶來(lái)更舒適和更安全的生活。不過(guò)，自動(dòng)駕駛、交通標志的自動(dòng)檢測以及許多其他功能都要求不間斷的數據連接，因此需要安全穩定的持續電源供應。

 

如今，電信和遠程信息處理中的大多數不間斷電源(UPS)應用都是基于電池技術(shù)，甚至用于緩沖峰值負載。在此類(lèi)應用中，由于電池技術(shù)具備相對較高的能量密度、成熟度以及被使用多年的熟悉度，因而具有一定的優(yōu)勢。所以，這些應用的架構是專(zhuān)門(mén)為配合現有電池技術(shù)的特性而設計的。

 

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

非常適合峰值電源和短期備用電源應用

所有這些應用(無(wú)論所需的功率等級如何)都需要快速供電，以提供所需的峰值功率或者橋接現今大部分非常短暫的停機時(shí)間。如果長(cháng)時(shí)間停電，工廠(chǎng)或系統將被設置為安全狀態(tài)(正常關(guān)機)。達到峰值功率和橋接時(shí)間通常在幾毫秒到20秒之間。超級電容器特別適合這些應用。它們能夠在數秒(或幾分之一秒)內釋放并恢復大部分存儲的能量，并且運作無(wú)數次而不會(huì )受到損壞。在此類(lèi)應用中，它們的使用壽命長(cháng)達十年甚至更久。它們也易于操作，無(wú)需維護或保養，且非常易于監控?？梢允褂秒妷呵€(xiàn)輕松評估和監測超級電容器的健康狀態(tài)。鉛酸電池(目前的主要儲能方法)即使在理想條件下的使用壽命亦較短，并且會(huì )因為其電化學(xué)成分而導致意外故障。與超級電容器相比，它們的監測和健康檢查要復雜得多，成本也更高。另外，鉛酸電池的制造很難以生態(tài)可持續的方式進(jìn)行。

 

超級電容器則有所不同：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。

 

超級電容器設計

根據電荷的狀態(tài)，電解質(zhì)的離子以納米級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，因此超級電容器可以存儲的能量是傳統電容器的數百倍。充電和放電過(guò)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。所以，超級電容器可以更快地捕獲和釋放存儲的能量，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)的應用。電池最多可以存儲20倍的能量，而超級電容器具有非?？焖俚某潆?放電特性，其功率密度最多可以達到電池的20倍。

 

電池具有高能量可用性——超級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)的電池存儲系統都會(huì )是首選，盡管它存在一些已知的缺點(diǎn)。然而，電池和超級電容器的組合使用越來(lái)越多。值得注意的是，兩種存儲技術(shù)具有不同的電勢特性：電池通過(guò)氧化還原反應(即法拉第或傳質(zhì)過(guò)程)存儲和提供能量，因此保持幾乎恒定的電勢，直到反應物料耗盡。另一方面，超級電容器的電壓則隨著(zhù)存儲的電荷而變化。

 

電池和超級電容器的完美組合

電池和超級電容器的直接并聯(lián)組合，可以為電信和遠程信息處理中的應用帶來(lái)很大的益處。例如，如果單個(gè)鋰電池(~4 V)通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的超級電容器(~2.5 V)進(jìn)行并聯(lián)，那么超級電容器將在傳輸過(guò)程中提供大部分所需的峰值功率，這是由于它的內部電阻非常低。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(lèi)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，以防電源線(xiàn)中出現電壓驟降和持續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轉換器，該轉換器能夠輕易地應對輸入端的寬電壓波動(dòng)，并且立即進(jìn)行電源反轉而不會(huì )失去控制。憑借極低的內部電阻，如今的超級電容器提供了實(shí)現高效電源系統(超電容器加DC/DC轉換器)要求的高于90%效能的可能性。當然，成本也是不能忽略的。不過(guò)，總體成本效益分析顯示了組合解決方案的優(yōu)勢。使用壽命測試表明，結合使用超級電容器可以大大延長(cháng)電池存儲系統的使用壽命，并顯著(zhù)提高電源可用性。目前世界各地的許多企業(yè)都專(zhuān)注于研究組合解決方案，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了必需的電力電子設備。

 

超級電容器以活性炭作為電極材料。