什麼是混合型鋰離子超級電容器？
超級電容器是相對較新的技術。這類裝置具有極高的電容，可達數十甚至數百法拉。混合型鋰離子電容器（Lithium-Ion Capacitor，LiC）顧名思義，是超級電容器家族中一種在其結構中摻入鋰離子材料的裝置。它結合了傳統超級電容器的陰極和鋰離子電池的陽極。由此產生的裝置在功率密度和電池工作電壓方面均表現出更優異的性能。
本文介紹了一個代表性應用，並探討了運行時數學，以確定電容器是否是適合您的專案的可行解決方案。
技術提示：像 Eaton 的 LiC 混合型鋰離子超級電容器，在出廠時已充滿電。必須採取預防措施，以防止端子短路造成電容器損壞。為了避免這種情況，電容器採用如圖所示的塑膠托架包裝。
探索基於電容器的備用電源
超級電容器的一個實用應用是為工業設備提供持續供電。在這種應用中，單一電容器或串聯電容器組可以為設備供電幾分鐘。如果在設定的時間內主電源未能恢復，系統可以有序關機。
例如，假設一個系統需要持續 24VDC、1.0A 的額定電壓，持續 2min。我們允許電壓在設定值 +2VDC 到 -1VDC 之間波動。總額定能量需求為：
能量 = 功率 × 時間 = 24VDC x 1.0A x 120s = 2,900 Watt seconds = 2,900 W \cdot s
電容器要求
既然我們已經了解了系統需求，就可以尋找合適的電容器了。有一些限制條件，包括：
電壓
典型 LiC 的工作電壓為 3.8VDC。此電壓隨著電容器放電而降低。對於 24VDC 系統，我們將選擇 7 顆電池 (7s) 的串聯串。根據應用和組件可用性以及成本，使用串聯配置（例如並聯 2 個 7 顆電池串聯串（7s2p））可能會更有利。
電流
每個 LiC 都有其設計最大連續電流和峰值突波電流。對於我們的應用，7s1p 連接需要連續電流為 1A 的電容器，而 7s2p 連接則需要 0.5A。
溫度
LiC 技術對高溫非常敏感。若保養得當，其使用壽命可達數十年。若在極端溫度下運行，其壽命則以月計。
電池均衡
與鋰離子電池一樣，鋰電池也必須具備電池均衡功能。我們可以說，7s1p 的電池組強度取決於其最薄弱的環節。因此，我們需要確保電壓均勻分佈在所有電芯上。這也解釋了單一電芯容易因電壓過高而損壞的自然規則。這個主題超出了本文的討論範圍。不過，市面上有許多用於電池均衡的積體電路。這裡有一些演示板。請仔細研究這些設計，以了解這些系統的組裝方式。
備用電源的數學計算
接下來，我們來看看 7s1p 系統的計算。我們採用保守的方法，允許電池電壓在 3.8VDC 到 3.3VDC 之間變化。這相當於系統總電壓在 26.6VDC 到 23.1VDC 之間變化。
對於 7s1p 系統，我們需要找到一個電容，當電壓從 3.8VDC 降至 3.3VDC 時，該電容能夠提供 2900 W \cdot s 的電容值。
讓我們重新闡述這個重要的區別。
我們並非在計算油箱中儲存的能量！
相反，我們計算的是電壓從 3.8V 降至 3.3V 直流時消耗的燃料量。低於 3.3V 直流時剩餘的燃料無法使用，因為此時系統電壓低於所需電壓。
首先，我們選擇圖中所示的 220F 電容器。
Energy = \dfrac{1}{2}CV^2
Energy_{26.6 VDC} = 7 * \dfrac{1}{2}220\ C\ 3.8^2 = 11,100\ W \cdot s
Energy_{23.1 VDC} = 7 * \dfrac{1}{2}220\ C\ 3.3^2 = 8,390\ W \cdot s
26.6V 和 23.1V 直流電容器儲能之間的 2700 W \cdot s 差值即為可用能量。由於 2700 W \cdot s 值接近標稱值 2900 W \cdot s ，我們在此停止計算。快速查看電容器的規格書可知，它確實能夠承受 1A 的標稱電流，並具備高達 15A 的突波電流能力。
技術提示：能量與電壓的平方成正比。因此，電壓的微小變化會對能量產生顯著影響。在本例中，0.5VDC 電壓的降低導致儲存能量減少了約 25%。
以目前價格計算，假設生產1000 台設備，則每台設備安裝 7 個 220V 電容器的預估成本約為47.55美元。請注意，這只是一個預估成本。歡迎訪問 DigiKey 查詢。
結語
歡迎您對本文提出意見。例如，您是否同意關於 3.3V 是工作電壓極限的假設？我是否正確地將儲能方程式應用於鋰離子電容器？您在專案中是如何使用超級電容器的？
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