锂离子电容器有助于在恶劣环境中实现高质量电源

作者：Jeff Shepard

如果你从事过使用可充电电池或双电层超级电容器 (EDLC) 的分布式电源解决方案方面的工作，就会了解这种这类电源的局限性。使用电池时，必须与环境性能、系统尺寸和安全进行权衡，而且会增大成本并降低性能、尺寸和安全性。采用 EDLC 可以解决其中的一些问题，但这种器件只是缺乏许多应用所需的能量容量。

为了消除这些限制，你可以转向锂离子电容器 (LIC)，也就是所谓的混合超级电容器。可能你还不熟悉这种器件，LIC 是融合两种不同技术的非对称设备；其阴极像超级电容器，而阳极类似锂离子电池（图 1）。LLC 的非对称结构使其非常适用于电源质量应用，让这些应用在高能量密度、高功率密度、环境坚固性和耐久性方面获益。

图 1：LIC 在非对称结构中融合了两种不同的技术；阳极类似锂离子电池，阴极类似超级电容器。（图片源： Eaton）

LIC 可作为备用电源，在用电高峰期防止电压骤降的影响。在化工厂和半导体制造等工业系统中，即使是电源出现短暂中断也会导致代价高昂的停工。停电和断电会干扰数据中心的高速缓存、RAID 系统和存储服务器的运行。

让我们分别考虑一下来自 Eaton、Taiyo Yuden 和 Tecate Group 的、适合用于边缘电源质量保护应用的三个例子，最后简要介绍使用 LIC 时的一些设计注意事项。

LIC 的额定工作温度低至 -25°C

许多 LIC 的工作温度范围为 -15 至 +70°C，但如果你的应用需要在更冷的环境中工作，可以选择 Eaton 提供的 HSL1016-3R8306-R。这是一款 30 F LIC，其指定工作温度低至 -25°C（图 2）。这种 LIC 在 20°C 环境温度下的充电周期超过 25 万次，免维护使用寿命长达 20 年。这款电容器的能量密度是标准超级电容器的八倍。

图 2：HSL1016-3R8306-R 是一款 30 F LIC，其工作温度低至 -25°C，在 20°C 环境下的额定充电周期超过 25万次。（图片源： Eaton）

高温运行 LIC

Taiyo Yuden 的 LIC1840RH3R8107 100 F LIC 满足炎热的工业和户外环境的需求，其额定工作温度高达 85°C，等效串联电阻 (ESR) 为 75 mΩ（图 3）。这种 LIC 在 85℃ 时的工作电压范围为 2.2 至 3.8 V，在 105℃ 时的电压范围为 2.5 至 3.5 V，因此适合高温应用。这类 LIC 的特点是，高温下使用时电容降额较小，内阻变化得到了改善。

图 3：LIC1840RH3R8107 是一款高温 LIC，可在高达 85℃ 的温度下处理 3.8 V 电压。（图片源：Taiyo Yuden）

450 F 用于高能量应用

如果你正在设计一个能从高能量密度受益的应用，Tecate Group 的 450 F TPLC-3R8/450MR18X40 可能就是你所需要的电容器，因为该器件是其 18 个 LIC 家族中最大的（图 4）。该器件的额定电流为 2.25 A，峰值为 14.1 A，直径 18 mm，高 40 mm，重 18 g。TPLC-3R8/450MR18X40 在额定电压和最高工作温度下运行时，预计寿命为 50 万次，耐用等级为 1000 小时。

图 4：450 F TPLC-3R8/450MR18X40（后排中间）是 Tecate Group TPLC 系列中容量最大的 LIC。（图片来源：Tecate Group）

用 LIC 进行设计

像其他超级电容器一样，LIC 的电压会根据其充电状态发生线性变化。在需要通过单电池获得稳定工作电压的应用中，需要升压转换器。使用多个串联 LIC 的设计通常可以利用降压转换器，以获得稳定的电压。

与其他可以放电至零伏的超级电容器不同，LIC 的最低放电电压通常被限制在 2.2 V，以防造成损坏。这项功能需要通过电池管理系统 (CMS) 进行可靠的操作。CMS 在大约 2.2 V 时停止对 LIC 放电，并在包含多个串联电池的设计中保持电池电压的平衡。标准 EDLC 通常在 30 s 左右完成放电，而 LIC 放电则在几分钟内就能完成；这是边缘电源质量解决方案与众不同的地方。

LIC 的使用寿命与应用电压和工作温度直接相关。较高的温度和工作电压会减少 LIC 的寿命。能够最大限度延长使用寿命的主要参数是更低的工作电压，这可以通过电池串联实现。

总结

在为恶劣环境设计分布式电源质量解决方案时，LIC 是一个绝好的第三选择。这类器件的混合结构将锂离子电池和 EDLC 的各个性能整合在一个器件中。这类电容器具有较长的充放电寿命和较高的能量密度，而且放电时间延长到几分钟而不是几秒钟，这在边缘电源质量解决方案中是独树一帜的特性。LIC 可以带来更小、更坚固、更安全的解决方案。当然，需要良好的系统设计实践才能最大限度地发挥其作用。