过去的十年,材料和结构技术的发展把法拉电容从一个“不成熟”的后备器件变为了一种非常有效的储能方式。虽然电容的储能容量与电池相比非常的小,但它可以非常迅速的充、放电,能在使用期限中传输数万次的大功率脉冲,并且很容易满足产品的设计寿命需求。电容能非常迅速的充电和放电,并能在任何储能状态中工作,甚至在完全放电的条件下,且对元件的寿命不会产生任何不良影响。电容也的确已经成为动力电子领域面向产品的设计中不可或缺的元件。目前,已有许多厂商认识到电容技术优势和高实用性能,并开始生产基于电容的各类系统。
工程师们在主要能源设备的设计中基本要满足峰值功率的需求,比如对于一个发动机或电池系统,就需要满足高负荷下工作,哪怕这种需求仅持续几秒。为了满足高负荷而不是平均负载设计整个系统,显然会导致成本的增加和效率的降低。这种系统可以将主要能源设备中的能量部分储存为电能,从而改进这类系统的设计,例如使用电池作为二级能量储存设备,并在需要的时候迅速释放这部分能量。这样的高能传输方式为能源系统提供了一个动态的输出能力来满足瞬时峰值功率的需求。但是电池并不能很好的用来频繁的提供瞬时峰值功率;在这方面,电容是好的选择。
锂离子、镍氢电池和其它电池技术在提供可靠的能量存储解决方案上已取得很大进步。它们已在许多设计中得到应用,并解决了以往的许多成本问题,但设计工程师最终仍面临着与使用铅酸电池时一样的问题,即所有这些技术都是基于化学反应,它们的使用寿命有限并受温度的限制,而且对大电流的需求也会直接影响它们的使用寿命。因此,这些电池技术在持久性和可靠应用方面还面临着一些挑战。 燃料电池是新出现的一种非常有吸引力的电池技术,正在逐步进入许多应用中,而近来对它们也有不少的宣传。燃料电池的最终应用领域是在汽车上,但在过渡期间,它们已出现在备用电源市场。将燃料电池用作备用电源以及主电源的关键问题是这些电池的启动时间和动态功率反应。燃料电池尽管具有优异的能量密度,但动态功率低,因此它们需要一种增强技术用于功率辅助和启动。 同期出现的还有电容,或者称为电化学双层电容(EDLC)。电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。在过去几年,这些器件已应用在消费电子、工业和汽车等许多领域。
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电容具有高功率密度和能量密度、使用寿命很长、尺寸紧凑等特性,当它与其它新兴的电池技术结合使用时,可满足高性能电源应用的需求。本文对这些新的能量存储方案及其使用方式进行了分析。 如今性能和可靠性是每个设计所必需的,对工程师来说,能量存储一直是他们设计中的致命弱点。在过去,备份电源的解决方案就是电池,主要是铅酸电池。而现在,工程师有更多的选择来满足备份电源的需求,包括锂离子、镍氢电池等先进的电池技术、燃料电池、太阳能电池以及双层电容。