無疑地,我們對於超級電容(supercap)都很熟悉,它能以很小的體積封裝進數法拉(farad)的電容,而用於儲存能量和電力的纖維束真的極其細小。其最常見的版本正式名稱是電化學(或簡稱為電)雙層電容(EDLC)。

早在1950年代和1960年代,由於傳統的1000μF高密度電解裝置尺寸相當大——以低壓裝置而言,其尺寸約為200cm3;因此,對於一般應用而言,「傳統觀念」是即使採用1法拉電容也是個麻煩事,因為那會佔據掉整個桌面或者機殼。當然,對於技術永遠不要說「不可能」。通用電氣(General Electric;GE)在1950年代後期開始研究超級電容技術,但直到1990年代,隨著材料和製造技術的發展,業界才真正開發出既實用又實惠的超級電容等標準元件。

超級電容儲存和釋放能量的過程,實際上是在電極材料和電解質之間的介面上進行可逆的離子吸附和解吸。相較於電池(一次性/一次電池和充電/二次電池)的化學反應不同,它們使用物理電荷儲存,因此可以非常快速地進行充電和放電(毫秒級到秒級)。此外,由於沒有化學反應,超級電容的循環壽命(cycle life)也與二次電池不同,後者的充放電次數只能達到數千次,而前者則要長得多。

儘管超級電容與充電電池之間的差異不可否認,但是由於它們最重要的功能都是用作補充能量,因此業界常拿它們二者來做比較。而某款特定設計究竟應該使用充電電池還是超級電容取決於許多因素,包括應用所需功率的大小、持續時間和工作週期。一般來說,標準(非超級)電容可以提供大量功率,但每單位量僅能儲存較少能量。相反地,電池可以儲存更大的能量,但額定功率較低。超級電容則在能量與功率均衡方面處於兩者之間,表1列出了一些比較屬性。

20200204TA31P1-1 表1 鎳鎘(NiCd)和鋰離子(Li-ion)充電電池,以及鋁電解電容和超級電容主要屬性的比較。(資料來源:KEMET Electronics)

我發現超級電容有個迷人之處是:許多有趣的利基應用都可以使用它們來解決很小但卻很棘手的問題。最近我在2019年10月的《Model Railroader》期刊上看到了一篇文章,其每月「電子產品」專欄作家解釋了如何在市售的掉電保持(stay-alive)電路中使用超級電容,以便在整個軌道間隙上提供電能。

在此對這種情況做個簡要說明:如今的鐵路模型不再使用對軌道(實際上就是電源軌)施加可變電壓,輾轉向火車頭馬達提供直流電(DC)這種簡單的辦法。取而代之的是,大多數模型已轉移到稱為「數位命令控制(DCC)」網路的途徑。這種方法是將固定電壓施加到軌道上,並在軌道上疊加了數位程式碼。每個火車頭都有一個內部解碼器,根據這個數位程式碼來控制馬達,告訴馬達行進的速度和方向,並發出逼真的聲音,以及控制前照燈/尾燈等等。DCC徹底改變了鐵路模型的佈線和運作,我們不再需要隔離、可切換的鐵路部份(稱為block),以便在相同的電氣和實體軌道上運行多列火車。

這是個好消息。不過,DCC這種網路系統在設置和故障排除方面通常十分複雜。此外,軌道中出現任何間隙或是軌道到引擎的電氣通路遇到中斷,都會失去動力流和網路連接。實體軌道看上去非常堅固,不會出現任何此類中斷,但事實並非如此。這裡存在兩個主要問題:車輪與其取電碳刷之間會出現間歇性連接(污垢、振動),以及軌道「道岔」的轉轍器處也會失去連接,如圖1所示。

20200204TA31P1 圖1 儘管軌道道岔的結構看起來很堅固,但其上仍不可避免地存在間隙,因此在電力和訊號的連續性上不盡人意。(圖片來源:Thomas M. Tuerke)

超級電容在此發揮重大功能。上述間隔時間通常只有幾分之一秒,因此串聯使用三到四個超級電容(每個超級電容的標稱電壓為2.5~3V),就可以為提供動力的掉電保持電路供電。由於只有引擎功能變更需要用到網路連接,因此儘管在間隔時間內也會失去網路連接,但這個問題不大。標準的掉電保持模組可從多個供應商處購買,例如Electronic Solutions Ulm、Digitrax、 Soundtraxx、NCE和TCS。

這種理想的解決方案成本適中,但也有一個缺點:大多數火車頭的空間(在較小的HO、N和Z比例下)非常有限,通常僅就擺放DCC解碼器IC本身而言都很難找到空間,因此對於超級電容封裝來說則會更難(較大的O和G比例則通常有空間)。有趣的是,通常已過時的蒸汽火車頭模型由於具有相關的煤水車,因此確實可提供空間存放解碼器和掉電保持超級電容,而柴油模型的空間卻非常有限。

諷刺的是,由於電池容量的提高,特別是在較大比例時,對超級電容的需求可能會快速減少。儘管將實體軌道用作電源軌道非常有效並且成本也低(它們就在那裡,不用白不用,對吧?),但一些建模人員就是不想如此使用。取而代之的是,他們在火車頭上設計充電電池。當然,這完全解決了軌距問題,並且無需在火車頭和所有車廂上使用絕緣的輪對和轉向架。

這還消除了另一個不可避免的常見麻煩,稱為反向迴路問題。在這種情況下,軌道轉圈後返回本身,因此會使實體軌道的連接互換並造成暫態短路(圖2)。常見的解決方案是在軌道上切出一個很小的間隙,然後在列車仍處於迴路時,使用手動或自動開關反轉迴路的極性,但這樣做可能付出慘痛代價。

20200204TA31P2 圖2 使用軌道供電和傳輸資料的另一個問題是,如果軌道轉圈後返回本身,除非添加 間隙和軌道切換,否則就會發生短路。(圖片來源:Azatrax LLC)

是否曾經將超級電容用在任何不尋常或聰明的應用?是否曾經遇過原本很小但很討厭的問題,而用了超級電容後就恰好解決了呢?

(參考原文: Supercaps solve diverse niche problems,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 20200年2月號雜誌