法拉储能，第 3 部分：混合超级电容器

对于工作和备用电源和能量存储，工程师可以选择电池、超级电容器或“两全其美”的混合超级电容器。

就像可充电电池一样，超级电容器需要适当的管理才能优化其性能并避免发生事故。在许多方面，两者的监管要求相似，但也存在一些差异。电源管理 IC (PMIC) 供应商认识到这一点，并专门为这种情况开发了设备，例如 Maxim MAX38889 超级电容器备用稳压器(图 1)。

图 1：MAX38889 监控和管理稳压器 IC 专为满足超级电容器的要求而设计。

该 IC 旨在在超级电容器和系统供电轨之间传输电力。当主电池存在且高于充电所需的最低系统电压时，MAX38889 会为超级电容器充电。一旦超级电容器充电完毕，电路就会将超级电容器保持在就绪状态。当主电池被移除时，MAX38889 从超级电容器获取电力并将系统电压调节至设定的备用电压。

超越超级电容器，走向混合动力汽车

充电电池和超级电容器具有许多相似的功能和应用，但彼此之间都有独特的优势和劣势。在许多情况下，设计师希望充分利用两者的优势，克服彼此明显的缺点。

超级电容器相对于电池的最大优势在于，它们能够连续充电和放电，而不会像电池那样退化。这就是电池和超级电容器相互配合使用的原因。当需要浪涌或能量爆发时，超级电容器将为系统供电。超级电容器可以快速充电和放电，而电池可以提供大量能量，因为它们可以在较长的较慢时间内存储和输送大量能量。

这实际上是由电路设计师完成的，在同一个设计中同时使用可充电电池和超级电容器，如 MAX38889 的应用图所示。事实上，对于供应商来说，将两种设备封装在一个外壳中并称之为混合设备是有意义的，这样可以简化物料清单 (BOM) 并可能节省电路板空间。

但这种简单的联合封装解决方案仍存在不足，因为所谓的混合设备除了封装之外，并没有提供任何技术优势。相反，供应商已经设计出一种更好的方法，可以创建一种独特的储能设备，即真正的混合超级电容器。该设备结合了电池和超级电容器的功能，但不仅仅是将两个设备联合封装在一起，使其看起来像一个。

相反，这种真正的混合技术实际上要复杂得多，其内部布置实际上将超级电容器的材料和原理与锂离子充电电池融合成一个单一结构(图 2)。最终的组件既是电池又是超级电容器，但作为一个统一的设备，而不是单个封装中的两个不同设备。

图 2：混合超级电容器加锂电池的物理结构并不是将两个不同的组件明显地封装在一个外壳中;而是它们的底层材料和结构的混合。

从构造角度来看，基本超级电容器和混合超级电容器可能看起来相似，但混合超级电容器使用由掺有锂的石墨和不同电解质制成的阳极。每个超级电容器都有两个电极，一个类似于电池的电极，另一个是标准超级电容器电极。因此，它们的能量密度更接近传统电池的能量密度，比标准超级电容器高出 10 倍。

这些混合超级电容器的供应商包括太阳诱电(他们称之为锂离子超级电容器而不是混合超级电容器，从技术上讲这是非常正确的)、伊顿和麦克斯韦科技公司(现为特斯拉的一部分)。

混合超级电容器与传统超级电容器在其他方面有所不同。它们的工作电压更高(最高 3.8 V)，电容和能量密度也比标准对称超级电容器高得多(高达 10 倍)，而且自放电和待机电流也低得多。另一方面，传统超级电容器由于 ESR(等效串联电阻)较低而具有更高的功率容量，工作温度范围更广，并且可以放电至零伏以确保安全，而混合超级电容器无法完全放电。

与所有电子元件一样，性能随温度变化是重要的设计考虑因素。虽然具体情况因供应商和型号而异(图 3)，但可以表明同一供应商(伊顿)的两个混合超级电容器系列的 ESR 和电容随温度变化的性能。他们的 HSL 超级电容器针对较低的温度进行了优化，可低至 -25°C，而 HS 超级电容器的范围则扩展到 +85°C，并针对较高的温度进行了优化。

图 3：任何组件(无论是二极管、晶体管、IC、电阻器、电容器、电池、超级电容器还是混合超级电容器)在温度范围内的性能都是重要的设计因素;这里是标准和扩展范围混合超级电容器之间的 ESR 和电容差异。

在顶级参数方面，伊顿 HS 和 HSL 混合圆柱形电池的电容值在 30 F 到 220 F 之间，最高工作电压为 3.8 V。该系列与电流、功率和能量相关的其他关键规格如图4所示。

图 4：电容显然是混合超级电容器最明显的考虑因素，但它们的 ESR、各种电流、功率和能量规格也至关重要。

在大多数情况下，混合超级电容器都需要电池管理系统 (CMS)，它与铅酸电池或锂离子电池相关的电池管理系统 (BMS) 类似，但更简单。对于超级电容器(标准或混合)，管理系统的目标是最大限度地延长产品的使用寿命，而电池系统则需要管理系统来确保安全。在多个电池串联的设计中，CMS 必须在 2.2 V 时停止放电，并保持电池电压相等。

在许多设计中，提供运行和备用能量存储和电力输送是关键问题。工程师可以选择不可充电和可充电电池、超级电容器，甚至混合超级电容器。决策需要权衡，但有可行、紧凑、无忧且经济高效的选择。