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功率技術/新能源  

鋰電池+超級電容器 複合式供電驅動高功率應用

上網時間: 2014年09月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:汽車電子  Mentor  ADAS 

隨著環保意識抬頭以及汽車燃油價格不斷攀升,推動燃料替代品以及更高效率的汽車動力傳動系統開發。這些系統需要能夠長時間儲存較高能量的電池,但電池普遍存在無法為負載提供高功率的限制。為此,Maxwell Technologies日前推出2.85V/3400F超級電容單體電池,可實現快速充電並能以高功率放電,不僅成為高功率應用中電池的補充,同時也拓展了業界標準60毫米圓柱形K2系列超級電容器的功率和儲能範圍。

超級電容當前在交通運輸、風力發電、不斷電供應系統等領域得到了廣泛應用,特別是在中國已廣泛應用於城市混合動力汽車啟動停車能量回收系統。Maxwell執行長Mike Everett認為,超級電容器能夠迅速擷取過剩的電能,並在峰值需求階段提供電源,且可為鋰離子電池、燃料電池等主電源提供功率補償,因而迅速得到了市場的認可。

相較於競爭對手大多採用的濕式電極製造製程,Maxwell採用的是乾式電極製程,這是一種僅透過乾式混合活性碳粉和粘合劑加工成電極的技術,據稱在穩定性、抗震性、壽命和成本等方面都更為出色。Everett解釋說,在製作電極的過程中,濕式電極技術除了需要活性碳粉和粘合劑外,還需加入液態溶劑並對其進行乾化處理。

這意味著相較於乾式電極技術,濕式電極技術的工序更多,而且會帶來額外的生產成本。此外,烘乾處理很難將溶劑徹底去除,會導致超級電容器在工作過程中產生額外物質,影響電極和電解質的性能,反應產生的氣體也會加速超級電容的退化。

Maxwell的2.85V/3400F超級電容器單電池採用業界標準60mm圓柱外形,可在比一般電容器更大的電場中儲存能量,這意味著它具備更高功率(14KW/kg與12KW/kg)以及更高儲存能量(3.84Wh與3.04Wh)。超級電容器的靜電儲能機制使其不僅能夠在不到1秒內完成充放電,-40至+65℃的廣泛溫度範圍內工作,可靠運行數達十萬次迴圈週期,而且還能承受較大的衝擊與振動。

Maxwell可提供電容為1~3400法拉(F)的超級電容器單電池和16~160V的多個電池模組,這些電容器無論是單獨使用還是結合電池使用,都能夠為汽車、工業、消費電子以及交通運輸等眾多應用提供較高功率。

超級電容器充電放電快,有效地補償當今應用中初級能源的不足。
包括內燃機、燃料電池與電池組等初級能源可連續以低功率供電,但由於充放電慢,難以因應峰值功率的要求。超級電容器則由於充電放電快,可在峰值功率需求時快速提供高功率、快速儲存以及擷取過多電能,有效地補償當今應用中初級能源的不足。

此外,Maxwell還推出了經測試符合最嚴苛交通運輸環境要求的DuraBlue抗衝擊與振動技術,這是超級電容器在可靠性與性能方面的最新創新。根據Maxwell透露,在與同類競爭產品相較時,DuraBlue技術可將超級電容抗振動和抗衝擊能力分別提高近3倍和4倍。

相較於前一代的2.7V電池,新款單電池電壓達到了2.85V。“這意味著客車可用更少的電池搭建出一樣多的超級電容模組,相應的成本也降低了,”此外,Maxwell公司中國區總經理陳甯強調,“應用DuraBlue技術的電池在性能針對中國市場的需求而提升,其抗衝擊能力是上一代電池與同類競爭產品的4倍,抗振動性更高3倍,更加適應中國公車等道路運輸車輛的應用。”

目前,中國許多地方正迎接公共汽車的‘換車潮’,而在這些更換的公車中,插電式混合動力公車成為絕對的主力。僅在2013年9月至2014年7月間,共有超過30個城市採購宇通插電式混合動力公車共3,090台,市場佔有率近6成。據了解,宇通插電式混合公客車即採用了複合式電源:Maxwell超級電容和13kwh鋰電池。

超級電容可用於實現混合電力汽車系統,減少燃油與降低排放
超級電容可用於實現混合電力汽車系統,減少燃油與降低排放

從技術上看,超級電容與鋰電池有各自的性能特點。電池中進行的是化學反應,超級電容則是物理反應,它最大的優勢在於可以快速的捕捉和釋放能源,速度遠遠高於電池,而且可以反覆使用上百萬次,壽命長達十年。隨著全球對能源需求的日趨緊迫,以及對排放標準的日趨苛刻,陳甯認為,未來結合鋰電池與超級電容共同使用的複合式供電應用將成為主流。

例如在典型的汽車啟停應用中,超級電容器負責提供大部分啟動電流,啟動過程中超級電容能穩定板網電路,電容器和電池結合(UBAT)可將電壓穩定在不低於12V的水準,而如果單獨使用電池,啟動過程中電壓將下降到11V以下。由於車輛需要反覆啟動,電容器和電池結合的電壓保持能力將比單純使用鋰離子電池出色得多,自然延長了電池的使用壽命,包括壽命即將終止的電池。

但不同的應用場合,對於超級電容器的具體需求各不相同。在混合動力汽車中,一般要求電容器模組具有超大功率密度、長壽命等性能;而對於純電動汽車,超級電容的安全性可能會是首要考慮因素。因此,Maxwell強調在設計超級電容單電池時首先考慮通用性,以及確保高可靠性。

在利用單電池組成模組之後,就必須根據不同應用進行調整,有些強調防震性能,有些需要可迴圈次數最多,有些則對電源管理和散熱管理提出更加嚴格的要求,這些特性必須透過不同的模組設計來表現。Maxwell表示未來還將根據不同規模的應用為幾個較特定領域開發客製化的產品。





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