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超级电容器:电信和远程信息处理应用的电源管理策略

2020-10-13 13:55:41 儒卓力电容产品销售经理Vanessa Jakob和Sech销售与营销副总裁Jürgen Auer 阅读:
未来的数字世界有望为人们带来更舒适和更安全的生活。不过,自动驾驶、交通标志的自动检测以及许多其他功能都要求不间断的数据连接,因此需要安全稳定的持续电源供应。

如今,电信和远程信息处理中的大多数不间断电源(UPS)应用都是基于电池技术,甚至用于缓冲峰值负载。在此类应用中,由于电池技术具备相对较高的能量密度、成熟度以及被使用多年的熟悉度,因而具有一定的优势。所以,这些应用的架构是专门为配合现有电池技术的特性而设计的。xJmednc

近二十年来,超级电容器已经成功地在众多应用中用作峰值和备用电源解决方案,包括风力涡轮机、移动基站、工业机器人以及其他各种电子设备和工业机器。近年来,由于各种大批量应用的需求不断增长,超级电容器已发展成为能量存储设备,从成本和性能两方面来看,也可用作大型和小型UPS系统的替代品,作为数据中心、医院和高科技制造工厂的备用电源。典型的超级电容器系统规模从几千瓦起步,并且可以通过模块化解决方案轻易扩展到兆瓦级规模的系统。在这些解决方案中,可以链接许多单个超级电容器单元以形成模块甚至系统。xJmednc

在许多应用中,超级电容器已经确立了峰值和备用电源解决方案的地位。(图片:Sech)xJmednc

非常适合峰值电源和短期备用电源应用

所有这些应用(无论所需的功率等级如何)都需要快速供电,以提供所需的峰值功率或者桥接现今大部分非常短暂的停机时间。如果长时间停电,工厂或系统将被设置为安全状态(正常关机)。达到峰值功率和桥接时间通常在几毫秒到20秒之间。超级电容器特别适合这些应用。它们能够在数秒(或几分之一秒)内释放并恢复大部分存储的能量,并且运作无数次而不会受到损坏。在此类应用中,它们的使用寿命长达十年甚至更久。它们也易于操作,无需维护或保养,且非常易于监控。可以使用电压曲线轻松评估和监测超级电容器的健康状态。铅酸电池(目前的主要储能方法)即使在理想条件下的使用寿命亦较短,并且会因为其电化学成分而导致意外故障。与超级电容器相比,它们的监测和健康检查要复杂得多,成本也更高。另外,铅酸电池的制造很难以生态可持续的方式进行。xJmednc

超级电容器则有所不同:它们的特性是基于具有极大电气表面积的活性炭材料。该材料用作电极,而浸渍在电池中的电解质可确保必需的电荷交换。xJmednc

超级电容器设计

根据电荷的状态,电解质的离子以纳米级别的距离堆积在活性炭(碳电极)上。由于电容与表面积直接成正比,而与电荷隙间接成正比,因此超级电容器可以存储的能量是传统电容器的数百倍。充电和放电过程以静电形式发生,而不会像电池那样发生化学反应。所以,超级电容器可以更快地捕获和释放存储的能量,且不会降低性能。这使其非常适合具有高功率输出和能量需求以及多次循环的应用。电池最多可以存储20倍的能量,而超级电容器具有非常快速的充电/放电特性,其功率密度最多可以达到电池的20倍。xJmednc

电池具有高能量可用性——超级电容器则确保高功率输出

如果高能量可用性是前提条件,那么采用任何一种电池技术的电池存储系统都会是首选,尽管它存在一些已知的缺点。然而,电池和超级电容器的组合使用越来越多。值得注意的是,两种存储技术具有不同的电势特性:电池通过氧化还原反应(即法拉第或传质过程)存储和提供能量,因此保持几乎恒定的电势,直到反应物料耗尽。另一方面,超级电容器的电压则随着存储的电荷而变化。xJmednc

电池和超级电容器的完美组合

电池和超级电容器的直接并联组合,可以为电信和远程信息处理中的应用带来很大的益处。例如,如果单个锂电池(~4 V)通过两个串联的超级电容器(~2.5 V)进行并联,那么超级电容器将在传输过程中提供大部分所需的峰值功率,这是由于它的内部电阻非常低。锂离子电池则提供全部的备用电源。这种组合大大缩短了操作时间。类似的示例可以在电信基站的电源中找到。电信基站需要本地能量存储,以防电源线中出现电压骤降和持续几毫秒至几秒钟的中断。xJmednc

有源并联组合需要一个尽可能高效的功率处理器和一个双向DC/DC转换器,该转换器能够轻易地应对输入端的宽电压波动,并且立即进行电源反转而不会失去控制。凭借极低的内部电阻,如今的超级电容器提供了实现高效电源系统(超电容器加DC/DC转换器)要求的高于90%效能的可能性。当然,成本也是不能忽略的。不过,总体成本效益分析显示了组合解决方案的优势。使用寿命测试表明,结合使用超级电容器可以大大延长电池存储系统的使用寿命,并显著提高电源可用性。目前世界各地的许多企业都专注于研究组合解决方案,并且已经开发了必需的电力电子设备。xJmednc

超级电容器以活性炭作为电极材料。xJmednc

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