【導讀】雙電層電容器(Electrical Double Layer Capacitor)又叫超級電容器，是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。而且雙電層電容器在汽車、軍事、航海及日常生活的各個領域都有非常廣泛的用途。下面我們就以ROHM半導體（上海）有限公司研發的這款產品為例來看看它是如何做到的吧！
1. 電力電子領域的發展
近年來，以車載領域、工業設備和可再生能源領域為中心，對電力電子技術的關注度越來越高。尤其在車載領域，受汽車尾氣排放法規的限制，“提升油耗性能”已被定位為重要的課題，各汽車廠家均大力開展對相關新技術的研究以應對這一法規。為了開發出油耗更低的汽車，不僅僅嘗試引進新一代功率元器件來提高功率轉換效率，還通過與蓄電裝置相結合的深入研究，力爭實現系統整體的低功耗與高效能。其中，以日本市場為首，對汽車的低油耗要求非常苛刻，促進了更加環保的汽車的開發進程。如（圖1）
（圖1）各國的油耗規格變化
首先以電動汽車和混合動力車為代表，在車載領域采用大容量蓄電裝置已經越來越普及。不僅有以往的鉛電池，還有鋰離子電池和大容量電容器也在朝電子化方向發展，相關應用技術的研究也越來越活躍。而蓄電裝置根據其種類，在性質上各自具有不同的優缺點，一般區別使用于能夠發揮其各自特點的用途中。例如，提到蓄電裝置，首先想到的應該是鋰離子電池，且鋰離子電池在智能手機、平板電腦及筆記本電腦等相關的產品中應用廣泛。因其能量密度（單位面積的蓄電量）性能優異，在混合動力車和電動汽車中也被作為主電池廣泛應用。如（圖2）
（圖2）蓄電裝置的分類
然后是近年來在應用中備受矚目的雙電層電容器（以下稱EDLC：Electric Double Layer Capacitor）。EDLC在能量密度方面的性能不如鋰離子電池，但在功率密度（單位時間內能處理的電量）方面卻具有非常優異的特性。EDLC充放電效率高，可瞬間提供大容量電力。以往，主要安裝于移動設備和小型電子設備中，作為在電源電量下降時為CPU供電的備用電源使用。一直以來，幾F左右的EDLC產品占據主流市場，但最近大容量化趨勢顯著，幾百F甚至幾千F產品類型的市場占有率已逐步提升。如（圖3、4）
（圖3）大容量電容器市場規模推移和預測
（圖4）雙電層電容器（EDLC）單元
大容量電容器主要作為瞬低時的備用電源、再生能源相關裝置的電源不穩定時的備用電源、以及起重機等工業用設備和工程機械中的能源再生裝置等使用。其用途可能并不是身邊常見的領域，但近年來，著眼于其功率密度和充放電特性優于其他蓄電裝置的優勢，已開始在汽車領域中應用。其結構機理是，在再生制動系統部分，通過將制動時產生的能量在短時間內充入到充電效率良好的EDLC中，并給車內的電子系統供電，來輔助以往由引擎發電和鉛電池承擔的電力。
此外，EDLC還具有反復充放電導致的性能劣化少，低煙難燃、組成材料不含重金屬的特點，比起其他蓄電裝置具備壽命長、安全、環保等優勢。現在也已經開始利用這些特點，進一步將其與鋰離子電池之類的二次電池擁有的優勢相結合的新應用和可能性展開研究。
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3. EDLC所需的電池平衡電路
EDLC每節電池的電壓一般約為2.5V。例如，作為12V電源線的備用電源使用時，將5節或6節電池串聯連接即可組成約12V的電源。此時，需要使各節電池的電壓均衡，因此需要控制電池平衡的電路。因為如果各節電池的電壓不均衡，則施加于某一節電池的電壓就會偏高，從而導致電池劣化。由于EDLC本身具有壽命長的特點，因此，使電池電壓平衡是使其充分發揮其性能特點的有效方法。
4. EDLC用電池平衡IC “BD14000EFV-C”
ROHM此次開發出專用于EDLC的電池平衡IC“BD14000EFV-C”。該產品不僅具有EDLC的電池平衡功能，還具備各種監測功能。使用該產品，可構筑安全且具有卓越可靠性的EDLC系統。以下是產品主要特點的詳細介紹：
①將電池平衡功能集成于1枚芯片，確保高可靠性并大大減少元器件數量：
此次開發的BD14000EFV-C，僅1枚IC即可控制4～6節電池的EDLC。產品采用簡單的分流方式，可通過外置電阻設定分流電流值。通過該IC本身的ON/OFF來控制內置的MOS開關，從而實現各節電池的電壓均衡。也就是說，僅僅通過該IC即可用非常簡單的結構輕松實現電池平衡功能。如（圖5）
（圖5）BD14000EFV-C的框圖
例如，用分立元器件組成這樣的電池平衡電路時，每節電池都需要復雜的平衡電路，以致需要龐大的元器件數量。為提高安全性而設置過電壓檢測電路時，也需要相應的元器件，帶來安裝面積增加、管理的元器件項目増加、成本增加等負擔。另外，由于使用的元器件數量過多，每個產品的差異使確保可靠性也成為很艱難的課題。
本產品不僅將所搭載元器件集于一體，而且設計為IC產品，可實現更高性能，還可使電池電壓規格不同的產品的眾多電池平衡電路實現標準化，從而非常有助于減少管理元器件的數量。如（圖6）
（圖6）單芯片集成，使設計更簡單
②便捷的擴展性：
可根據不同的EDLC元件耐壓、用途、充放電頻率及溫度環境等，將電池平衡電壓設定到最佳值。BD14000EFV-C通過將VSET0~2的3個端子分別設定為High或Low，可在2.4V～3.1V之間設定電池平衡電壓，因而可支持各種EDLC應用。檢測電壓精度在常溫（Ta=25℃）下確保±1.0%（MAX），在-40～105℃的工作溫度范圍下，確保±2.0%(MAX)。不僅如此，還可將多個BD14000EFV-C串聯連接，來支持高電壓應用（備用電源、工程機械等）。如（圖7）
（圖7）支持各種EDLC
③可分兩檔監測過電壓的安全設計：
可分兩檔雙重監測EDLC電池電壓的過電壓情況。VO_OVLO1端子檢測第1檔的過電壓值，并FLAG輸出到微控制器。當檢測到第2檔的過電壓值時，則VO_OVLO2端子FLAG輸出。因此，無論哪節電池產生劣化跡象，系統均可識別，并顯示電池的更換時間提示。關于過電壓值，第1檔電池平衡電壓可從+0.15V或+0.25V兩種模式中選擇，第2檔電池平衡電壓可從+0.3V或+0.5V兩種模式中選擇。可將OVLOSEL端子切換為High或Low進行設定。
④內置電池檢測功能，監測電池平衡：
BD14000EFV-C內置有稱為“電池檢測功能”的監測功能。所有通道的內置分流開關均正常工作，FLAG輸出到VO_OK端子。由此，可確認EDLC模塊的狀態是否完全實現電池平衡。沒有這種功能的電池平衡電路，就需要在檢查工序中逐節確認所有通道的電池平衡功能是否正常運行。而使用該功能，可通過識別VO_OK端子的輸出，確認電池平衡功能是否正常運行，具有縮減檢查時間和成本的優勢。ROHM現正在申請專利。
⑤無遲滯，可減少不必要的電流消耗：
在電池平衡用的檢測電路中，采用無遲滯式比較器。如（圖8）
（圖8）有無遲滯功能的電流消耗比較
采用有遲滯的比較器時，解除電壓低于檢測電壓，當檢測解除時，即使電池電壓比檢測電壓低，由于電池平衡開關處于ON的狀態，因此會產生不必要的分流電流消耗。而采用無遲滯式比較器時，檢測電壓和解除電壓相同，當檢測解除時，電池電壓一旦低于檢測電壓，電池平衡開關就會OFF，不會產生不必要的分流電流消耗。可見，通過使用無遲滯式比較器，實現了高效率的電池平衡。
⑥車載級品質：
BD14000EFV-C的規格滿足國際質量標準AEC-Q100。在車載相關的應用中也可放心使用。
綜上所述，BD14000EFV-C將對EDLC電池平衡電路的要求集成于1枚芯片，實現了安心且可靠性優異的EDLC系統。不僅如此，還非常有助于減輕設計負擔，縮短開發周期。ROHM將會利用多年來積累的模擬設計技術，不斷促進更加環保的蓄電裝置的應用普及。
