對于工作和備用電源和能量存儲，工程師可以選擇電池、超級電容器或“兩全其美”的混合超級電容器。

就像可充電電池一樣，超級電容器需要適當(dāng)?shù)墓芾聿拍軆?yōu)化其性能并避免發(fā)生事故。在許多方面，兩者的監(jiān)管要求相似，但也存在一些差異。電源管理 IC (PMIC) 供應(yīng)商認(rèn)識到這一點(diǎn)，并專門為這種情況開發(fā)了設(shè)備，例如 Maxim MAX38889 超級電容器備用穩(wěn)壓器(圖 1)。

圖 1：MAX38889 監(jiān)控和管理穩(wěn)壓器 IC 專為滿足超級電容器的要求而設(shè)計。

該 IC 旨在在超級電容器和系統(tǒng)供電軌之間傳輸電力。當(dāng)主電池存在且高于充電所需的最低系統(tǒng)電壓時，MAX38889 會為超級電容器充電。一旦超級電容器充電完畢，電路就會將超級電容器保持在就緒狀態(tài)。當(dāng)主電池被移除時，MAX38889 從超級電容器獲取電力并將系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至設(shè)定的備用電壓。

超越超級電容器，走向混合動力汽車

充電電池和超級電容器具有許多相似的功能和應(yīng)用，但彼此之間都有獨(dú)特的優(yōu)勢和劣勢。在許多情況下，設(shè)計師希望充分利用兩者的優(yōu)勢，克服彼此明顯的缺點(diǎn)。

超級電容器相對于電池的最大優(yōu)勢在于，它們能夠連續(xù)充電和放電，而不會像電池那樣退化。這就是電池和超級電容器相互配合使用的原因。當(dāng)需要浪涌或能量爆發(fā)時，超級電容器將為系統(tǒng)供電。超級電容器可以快速充電和放電，而電池可以提供大量能量，因?yàn)樗鼈兛梢栽谳^長的較慢時間內(nèi)存儲和輸送大量能量。

這實(shí)際上是由電路設(shè)計師完成的，在同一個設(shè)計中同時使用可充電電池和超級電容器，如 MAX38889 的應(yīng)用圖所示。事實(shí)上，對于供應(yīng)商來說，將兩種設(shè)備封裝在一個外殼中并稱之為混合設(shè)備是有意義的，這樣可以簡化物料清單 (BOM) 并可能節(jié)省電路板空間。

但這種簡單的聯(lián)合封裝解決方案仍存在不足，因?yàn)樗^的混合設(shè)備除了封裝之外，并沒有提供任何技術(shù)優(yōu)勢。相反，供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計出一種更好的方法，可以創(chuàng)建一種獨(dú)特的儲能設(shè)備，即真正的混合超級電容器。該設(shè)備結(jié)合了電池和超級電容器的功能，但不僅僅是將兩個設(shè)備聯(lián)合封裝在一起，使其看起來像一個。

相反，這種真正的混合技術(shù)實(shí)際上要復(fù)雜得多，其內(nèi)部布置實(shí)際上將超級電容器的材料和原理與鋰離子充電電池融合成一個單一結(jié)構(gòu)(圖 2)。最終的組件既是電池又是超級電容器，但作為一個統(tǒng)一的設(shè)備，而不是單個封裝中的兩個不同設(shè)備。

圖 2：混合超級電容器加鋰電池的物理結(jié)構(gòu)并不是將兩個不同的組件明顯地封裝在一個外殼中;而是它們的底層材料和結(jié)構(gòu)的混合。

從構(gòu)造角度來看，基本超級電容器和混合超級電容器可能看起來相似，但混合超級電容器使用由摻有鋰的石墨和不同電解質(zhì)制成的陽極。每個超級電容器都有兩個電極，一個類似于電池的電極，另一個是標(biāo)準(zhǔn)超級電容器電極。因此，它們的能量密度更接近傳統(tǒng)電池的能量密度，比標(biāo)準(zhǔn)超級電容器高出 10 倍。

這些混合超級電容器的供應(yīng)商包括太陽誘電(他們稱之為鋰離子超級電容器而不是混合超級電容器，從技術(shù)上講這是非常正確的)、伊頓和麥克斯韋科技公司(現(xiàn)為特斯拉的一部分)。

混合超級電容器與傳統(tǒng)超級電容器在其他方面有所不同。它們的工作電壓更高(最高 3.8 V)，電容和能量密度也比標(biāo)準(zhǔn)對稱超級電容器高得多(高達(dá) 10 倍)，而且自放電和待機(jī)電流也低得多。另一方面，傳統(tǒng)超級電容器由于 ESR(等效串聯(lián)電阻)較低而具有更高的功率容量，工作溫度范圍更廣，并且可以放電至零伏以確保安全，而混合超級電容器無法完全放電。

與所有電子元件一樣，性能隨溫度變化是重要的設(shè)計考慮因素。雖然具體情況因供應(yīng)商和型號而異(圖 3)，但可以表明同一供應(yīng)商(伊頓)的兩個混合超級電容器系列的 ESR 和電容隨溫度變化的性能。他們的 HSL 超級電容器針對較低的溫度進(jìn)行了優(yōu)化，可低至 -25°C，而 HS 超級電容器的范圍則擴(kuò)展到 +85°C，并針對較高的溫度進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 3：任何組件(無論是二極管、晶體管、IC、電阻器、電容器、電池、超級電容器還是混合超級電容器)在溫度范圍內(nèi)的性能都是重要的設(shè)計因素;這里是標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展范圍混合超級電容器之間的 ESR 和電容差異。

在頂級參數(shù)方面，伊頓 HS 和 HSL 混合圓柱形電池的電容值在 30 F 到 220 F 之間，最高工作電壓為 3.8 V。該系列與電流、功率和能量相關(guān)的其他關(guān)鍵規(guī)格如圖4所示。

圖 4：電容顯然是混合超級電容器最明顯的考慮因素，但它們的 ESR、各種電流、功率和能量規(guī)格也至關(guān)重要。

在大多數(shù)情況下，混合超級電容器都需要電池管理系統(tǒng) (CMS)，它與鉛酸電池或鋰離子電池相關(guān)的電池管理系統(tǒng) (BMS) 類似，但更簡單。對于超級電容器(標(biāo)準(zhǔn)或混合)，管理系統(tǒng)的目標(biāo)是最大限度地延長產(chǎn)品的使用壽命，而電池系統(tǒng)則需要管理系統(tǒng)來確保安全。在多個電池串聯(lián)的設(shè)計中，CMS 必須在 2.2 V 時停止放電，并保持電池電壓相等。

在許多設(shè)計中，提供運(yùn)行和備用能量存儲和電力輸送是關(guān)鍵問題。工程師可以選擇不可充電和可充電電池、超級電容器，甚至混合超級電容器。決策需要權(quán)衡，但有可行、緊湊、無憂且經(jīng)濟(jì)高效的選擇。