- 超級(jí)電容器的技術(shù)發(fā)展
- 傳輸脈沖速率下的電容量效率
- 堅(jiān)固的等級(jí)和電氣特征
- 存儲(chǔ)收集到的能量并提供電流給任何遠(yuǎn)程設(shè)備。
- 在無線設(shè)備中,高電容量的維持是質(zhì)子薄膜技術(shù)為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑
在不超過10年的發(fā)展時(shí)間里,超級(jí)電容器已經(jīng)很成熟了,這種可以貯藏高電荷能量的電化學(xué)器件從最初只為直流應(yīng)用(例如,微波爐或VCR中的時(shí)鐘電壓保持)設(shè)計(jì)的大容量、低耐壓圓柱形器件發(fā)展到目前的兩大分支：處于實(shí)用階段為混合動(dòng)力汽車提供電力,并具有很高耐壓和法拉容量的電容器和新型小體積、低高度的柱形脈沖超級(jí)電容器。
這種新一代脈沖超級(jí)電容器具有極低ESR的特點(diǎn),使得它們可以滿足對(duì)鋰離子電池或標(biāo)準(zhǔn)AA、AAA電池進(jìn)行涓流充電時(shí),設(shè)備工作所需要的瞬時(shí)峰值電流。低厚度的設(shè)計(jì)也使得它們可以被使用在小型電路卡組件(CircuitCardAssembly,CCA)中,并能夠滿足如便攜設(shè)備中無線數(shù)據(jù)傳輸卡和高密度數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等對(duì)電源的需求。在這些應(yīng)用中,常需要提供大約主電池輸出電流兩倍的峰值能量以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。
超級(jí)電容器正如它的名字一樣,可以存儲(chǔ)大量的電荷。標(biāo)準(zhǔn)電容器通過極板間的電介質(zhì)存儲(chǔ)電荷。由于電介質(zhì)內(nèi)的偶極子排列,電場的建立可以通過極板的電壓測得。極板所能保持的電荷越多,電容量就越高,能量存儲(chǔ)可以通過公式1/2(C×V2)來計(jì)算。此處,C為以法拉為單位的電容,V為以伏特為單位的極板電壓。超級(jí)電容器也可以產(chǎn)生同樣的結(jié)果,但它卻是通過電荷的大量游離和運(yùn)動(dòng),而不是通過介電質(zhì)的偶極子排列來存儲(chǔ)能量。這種移動(dòng)相反電荷到分離器不同側(cè)的機(jī)制是自然界中的電化學(xué)現(xiàn)象,與電池原理非常相似。能量在標(biāo)準(zhǔn)電容器或超級(jí)電容器之中能夠存儲(chǔ)多久將取決于電容器內(nèi)部的漏電流(如偶極子的釋放或電荷的重組),存儲(chǔ)的能量能夠被釋放得多快取決于器件的內(nèi)部電阻。
標(biāo)準(zhǔn)電容器技術(shù)的研究正集中于新型材料的開發(fā)以期改善介電常數(shù)、介電質(zhì)漏電流、內(nèi)部電阻和耐壓能力。同樣,對(duì)于超級(jí)電容器而言,最初的產(chǎn)品是基于高內(nèi)阻的機(jī)電系統(tǒng),并具有“類電池”的存儲(chǔ)電能和放電特征,而新材料的開發(fā)已經(jīng)使低ESR器件成為瞬時(shí)放電應(yīng)用的理想器件。
當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)電容器中計(jì)算偶極子排列所存儲(chǔ)的能量時(shí),通常會(huì)假定其是純粹的直流應(yīng)用環(huán)境。但在大多數(shù)應(yīng)用中,需要電容器來傳遞信號(hào),這就使極板帶有交流電壓。問題是偶極子的振動(dòng)怎樣能夠很好地跟得上傳過來的信號(hào)頻率并不失真呢？或者哪種類型的標(biāo)準(zhǔn)電容器能夠適合對(duì)應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境？例如,耐壓6V,容量高達(dá)2200μF,ESR小于50mΩ的鉭電容在100kHz～1MHz范圍內(nèi)都有很好的頻率響應(yīng)。這是因?yàn)樵?00kHz時(shí),電容量保持率很高(大約90%),是SMPS器件寬范圍濾波要求的理想選擇。陶瓷II型材料也適合這個(gè)頻率范圍,雖然電容量相比要低,但ESR會(huì)更低(大約100μF/5mΩ)。同時(shí),陶瓷I型電介質(zhì)有非常高的工作頻率,特別適合射頻應(yīng)用。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),單層器件可以接近10GHz的響應(yīng)。
同樣,超級(jí)電容器技術(shù)也正在發(fā)展以用于更加廣泛的領(lǐng)域。這得益于納米技術(shù)(可以用來開發(fā)更高表面積的炭疊層)所具有的優(yōu)點(diǎn),而最近幾年許多令人激動(dòng)的成果之一就是分離系統(tǒng)中的“質(zhì)子聚合膜”被引入了電容器制造領(lǐng)域。這種技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：
●非常高的直流電容：容量在50mF～1F；
●非常長的電容保持時(shí)間：以毫秒為單位的脈沖間隔；
●非常寬的工作電壓：3.6～15V,甚至更寬；
●非常低的ESR：20～300mΩ；
●非常低的漏電流：2～5μA；
●非常長的生命周期：深度充放電循環(huán)測試高達(dá)一千萬次(或者持續(xù)測試8個(gè)月)也沒有顯示出對(duì)這些電容有任何大的影響。
脈沖超級(jí)電容器的封裝也在不斷發(fā)展,主要朝向小占板面積和低高度方向。例如,AVX的BestCap®系列超級(jí)電容器大約8年前就面市了,包括了具有標(biāo)準(zhǔn)28mm×17mm尺寸和48mm×30mm大尺寸的型號(hào),厚度范圍是2.0mm～6.0mm。目前,已經(jīng)開發(fā)出了小尺寸(20mm×15mm)的型號(hào),更加微小尺寸(15mm×12mm)的型號(hào)也正在開發(fā)中(見圖1)。這些超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)是非常堅(jiān)固的,具有精密鋼質(zhì)外殼。所有內(nèi)部單元部件都采用環(huán)保材料、無有機(jī)溶劑的水溶性材料制造,這些相同的單元部件會(huì)構(gòu)成單元陣列。由于采用實(shí)體封裝和相同的結(jié)構(gòu),可以承受超過1000g的重力加速度沖擊,而且這些內(nèi)部單元的工作溫度范圍是-40～+75℃。
超級(jí)電容器的電學(xué)特征加上它們的小型化,是數(shù)字無線應(yīng)用的理想選擇。一個(gè)主要的無線應(yīng)用就是具有PCMCIA或USB接口的無線數(shù)據(jù)傳輸卡。在這些設(shè)備中,超級(jí)電容器提供了必須的瞬時(shí)放電能量來支持當(dāng)筆記本或PDA鋰離子電池處于涓流充電狀態(tài)時(shí),GPRS和EGDE數(shù)據(jù)傳輸所需要的電流。由于它們可以支持比主電池(能夠延長電池壽命2～3倍)工作范圍還寬的瞬時(shí)電流,所以能夠改善許多設(shè)備的效率,大量的高功率無線數(shù)據(jù)卡都從中受益,如遠(yuǎn)程光學(xué)掃描器。[page]
圖1超小型超級(jí)電容
無線傳輸中的一個(gè)重要問題是在傳輸脈沖速率下的電容量效率。當(dāng)傳輸脈沖速率和(或)占空比周期增加時(shí),許多具有很高直流電容的超級(jí)電容器都會(huì)受到電容量維持效率的影響。有些超級(jí)電容器所用的質(zhì)子薄膜系統(tǒng)提供了很高的電容量效率,這就使高占空比的無線傳輸(例如,GPRS-8到GPRS-10)能夠使用更低直流容量的電容(這也降低了設(shè)備涓流充電的能量裕量)。此外,這些應(yīng)用中電容器的額定耐壓范圍(3.6～5.5V)表明,脈沖超級(jí)電容器可以用在GSM芯片(耐壓3.5V)、鋰離子電池(耐壓4.5V),或者DC/DC轉(zhuǎn)換器(5.5V)中。5.5V電壓的使用可以省掉額外的電路,或者其他次級(jí)電路(如LDO等)。
超級(jí)電容器可以被用在相當(dāng)苛刻環(huán)境中工作的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備上,例如,點(diǎn)貨設(shè)備,或者包裹檢測器等。這些設(shè)備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬,而且還會(huì)受到?jīng)_擊和震動(dòng),有時(shí)還會(huì)發(fā)生落地的情況。而人們主要關(guān)心的不僅僅是設(shè)備會(huì)不會(huì)摔壞,更重要的是會(huì)不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在只依靠電池工作的設(shè)備中,“電池接觸聲”的出現(xiàn)可能預(yù)示著一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失了,通過將超級(jí)電容器牢固地焊接在電路中,就不會(huì)在工作過程中由于嚴(yán)重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。
堅(jiān)固的等級(jí)和電氣特征表明這些超級(jí)電容器可以支持許多需要瞬時(shí)功率電流并使用電池的“工業(yè)級(jí)”應(yīng)用,包括遠(yuǎn)程安裝和自動(dòng)閥門的無線控制、自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程射頻標(biāo)簽(RFID)閱讀器和遠(yuǎn)程安保系統(tǒng)等。在這樣的系統(tǒng)中,主要的供電電源可能不是普通電池,而很可能是太陽能電池。
另一種正在出現(xiàn)的應(yīng)用是無須電池供電的設(shè)備。在大多數(shù)系統(tǒng)中,當(dāng)超級(jí)電容器作為輔助能源設(shè)備時(shí),如果只需要涓流充電,那么就有可能不需要主電源(或者太陽能電池)。而從壓力到感應(yīng)器件,它們可以通過多種振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生能量。新的能量采集系統(tǒng)已經(jīng)可以用在任何有機(jī)械振動(dòng)的系統(tǒng)中,而且能夠提供輸出電壓給儲(chǔ)能設(shè)備。在這些應(yīng)用中,質(zhì)子薄膜也具有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即更高的額定耐壓,7～15V中的任何值都能達(dá)到,而與其他類型的超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)也不需要平衡電阻。
正如前面所討論的,在電容器中存儲(chǔ)的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設(shè)計(jì)用來存儲(chǔ)能量的系統(tǒng)中,更高的電壓可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個(gè)功能：
1存儲(chǔ)收集到的能量并提供電流給任何遠(yuǎn)程設(shè)備。
2在無線設(shè)備中,高電容量的維持是質(zhì)子薄膜技術(shù)為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑。
脈沖超級(jí)電容從近10年前問世以來,已經(jīng)走了很長的路,從消費(fèi)類應(yīng)用到遠(yuǎn)程工業(yè)系統(tǒng)。下一個(gè)10年,它們將會(huì)是普遍使用的電介質(zhì)類型器件。
超級(jí)電容器可以被用在相當(dāng)苛刻環(huán)境中工作的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備上,例如,點(diǎn)貨設(shè)備,或者包裹檢測器等。這些設(shè)備的工作環(huán)境溫度范圍非常寬,而且還會(huì)受到?jīng)_擊和震動(dòng),有時(shí)還會(huì)發(fā)生落地的情況。而人們主要關(guān)心的不僅僅是設(shè)備會(huì)不會(huì)摔壞,更重要的是會(huì)不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。在只依靠電池工作的設(shè)備中,“電池接觸聲”的出現(xiàn)可能預(yù)示著一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失了,通過將超級(jí)電容器牢固地焊接在電路中,就不會(huì)在工作過程中由于嚴(yán)重的沖擊而出現(xiàn)電源中斷的情況。
堅(jiān)固的等級(jí)和電氣特征表明這些超級(jí)電容器可以支持許多需要瞬時(shí)功率電流并使用電池的“工業(yè)級(jí)”應(yīng)用,包括遠(yuǎn)程安裝和自動(dòng)閥門的無線控制、自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、遠(yuǎn)程射頻標(biāo)簽(RFID)閱讀器和遠(yuǎn)程安保系統(tǒng)等。在這樣的系統(tǒng)中,主要的供電電源可能不是普通電池,而很可能是太陽能電池。
另一種正在出現(xiàn)的應(yīng)用是無須電池供電的設(shè)備。在大多數(shù)系統(tǒng)中,當(dāng)超級(jí)電容器作為輔助能源設(shè)備時(shí),如果只需要涓流充電,那么就有可能不需要主電源(或者太陽能電池)。而從壓力到感應(yīng)器件,它們可以通過多種振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生能量。新的能量采集系統(tǒng)已經(jīng)可以用在任何有機(jī)械振動(dòng)的系統(tǒng)中,而且能夠提供輸出電壓給儲(chǔ)能設(shè)備。在這些應(yīng)用中,質(zhì)子薄膜也具有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即更高的額定耐壓,7～15V中的任何值都能達(dá)到,而與其他類型的超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)也不需要平衡電阻。
正如前面所討論的,在電容器中存儲(chǔ)的能量是電壓平方的函數(shù)。在所有設(shè)計(jì)用來存儲(chǔ)能量的系統(tǒng)中,更高的電壓可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。這樣系統(tǒng)中的電容器具有兩個(gè)功能：
1存儲(chǔ)收集到的能量并提供電流給任何遠(yuǎn)程設(shè)備。
2在無線設(shè)備中,高電容量的維持是質(zhì)子薄膜技術(shù)為系統(tǒng)提高效率的另一種途徑。
脈沖超級(jí)電容從近10年前問世以來,已經(jīng)走了很長的路,從消費(fèi)類應(yīng)用到遠(yuǎn)程工業(yè)系統(tǒng)。下一個(gè)10年,它們將會(huì)是普遍使用的電介質(zhì)類型器件。
