鋰離子電容有助於在嚴苛環境中提供高品電力

如果您處理過採用充電式電池或雙電層超級電容 (EDLC) 的分散式電源解決方案，應該非常瞭解其遭遇的限制。在環境表現、系統尺寸與安全性等相關方面，電池需有所折衷，因此成本會提高，且會降低電池的有效性。EDLC 雖能應對其中某些問題，但蓄電量就是無法達到許多應用的要求。

要克服這些限制，您可以改用鋰離子電容 (LIC)，又稱為混合式超級電容。如果您對這些電容還不熟悉，請容我介紹一下。LIC 是一種混合兩種不同技術的非對稱型元件；陰極就像一個超級電容，陽極則類似於鋰電池 (圖 1)。LIC 採用非對稱型結構，因此非常適合用於一些電源品質應用，可享受高能量密度、高功率密度、環境嚴苛性和耐用性的優勢。

圖 1：LIC 將兩種不同的技術混合在一個不對稱的結構裡；陽極類似於鋰電池，陰極則像超級電容。(圖片來源：Eaton)

LIC 可以提供備援電力，以免在尖峰電源耗用期間出現電壓驟降。在化學工廠和半導體製造等工業系統中，電源品質即便只是稍微受到干擾，就有可能會停機，並付出慘痛代價。暫時低壓以及斷電時，資料中心的快取記憶體、RAID 系統和儲存伺服器，都可能會中斷運作。

下面將舉例介紹三個適用於邊緣端電源品質保護應用的 LIC，分別來自 Eaton、Taiyo Yuden 和 Tecate Group；最後簡單探討一些使用 LIC 時需要瞭解的設計考量。

LIC 額定工作溫度低至 -25°C

許多 LIC 的工作溫度範圍介於 -15°C 至 +70°C，但如果應用環境的溫度更低，Eaton 提供的 HSL1016-3R8306-R是 30 F LIC，其指定工作溫度低至 -25°C (圖 2)。這款 LIC 在 20°C 環境溫度下，充電循環額定值超過 250,000 次，而且運作長達 20 年都無需進行維護。比起標準型超級電容，此產品提供的能量密度高達八倍。

圖 2：HSL1016-3R8306-R 是一款 30 F LIC，工作溫度低至 -25°C，且在 20°C 環境溫度下，充電循環額定值超過 250,000 次。(圖片來源：Eaton)

高溫運作型 LIC

Taiyo Yuden 的 LIC1840RH3R8107 100 F LIC 能因應工業與戶外的高溫環境需求，額定工作溫度高達 85°C，等效串聯電阻 (ESR) 則為 75 mΩ (圖 3)。這款 LIC 在 85°C 下的工作電壓範圍介於 2.2 至 3.8 V，105°C 下則介於 2.5 至 3.5 V，因此適合在高溫環境中使用。這些 LIC 在升溫下使用時，電容量衰退率較低，內部電阻變化也有所改善。

圖 3：LIC1840RH3R8107 是一款高溫 LIC，能在高達 85°C 下處理 3.8 V 電壓。(圖片來源：Taiyo Yuden)

適合高能量應用的 450 F 產品

如果您設計的應用可從高能量密度獲益，Tecate Group 的 450 F TPLC-3R8/450MR18X40 可能就是您所需要的，因為這是該公司 18 LIC 系列中最大的元件 (圖 4)。此元件可提供額定 2.25 A 連續電流，額定峰值為 14.1 A。元件直徑為 18 mm，高度為 40 mm，重量為 18 g。在額定電壓及最高工作溫度下運作時，TPLC-3R8/450MR18X40 的預期壽命為 500,000 次循環，耐用性等級為 1,000 小時。

圖 4：450 F TPLC-3R8/450MR18X40 (後排中間) 是 Tecate Group 的 TPLC 系列中容量最大的 LIC。(圖片來源：Tecate Group)

採用 LIC 進行設計

如同其他超級電容，LIC 的電壓會根據其電荷狀態發生線性變化。若應用需從單一電池獲得穩定的工作電壓，就要使用升壓轉換器。在串聯多個 LIC 的設計中，通常能享受降壓轉換器帶來的優點，讓電壓達到穩定。

有別於其他能放電至零電壓的超級電容，LIC 的最小放電電壓一般限於 2.2 V，以免受損，因此需要使用電池管理系統 (CMS) 才能可靠運作。CMS 會在 2.2 V 左右時停止為 LIC 充電，並讓電池電壓在串聯數個電池的設計中保持等化。標準 EDLC 通常會在大約 30 秒內放電完畢，而 LIC 放電則需數分鐘；這對邊緣端電源品質解決方案來說是重要特點。

LIC 的使用壽命，和施加的電壓及工作溫度有直接關聯。較高的溫度和工作電壓會縮短 LIC 的使用壽命。若要達到最長的使用壽命，主要的因素是降低工作電壓，這可透過串聯數個電池來達成。

結論

針對嚴苛環境設計分散式電源品質解決方案時，LIC 是非常好的第三選擇。LIC 採混合式結構，可將鋰電池與 EDLC 的多個層面集結在單一裝置中。LIC 的循環壽命長、能量密度高，而且可持續放電數分鐘 (而非幾秒)，這對邊緣端電源品質解決方案來說是重要的特點。LIC 能產生更小、更耐用、更安全的解決方案。當然，也要搭配良好的系統設計實務，以便發揮最大優勢。