电池电源相比, 延长的运行时间和更快的充电速率。超级电容器（也称为超级电容器）为机器人电源系统带来了另一组独特的优势，包括超快速充电、更高的电力输送率和扩展的温度操作。在一些系统中，超级电容器与电池配对，混合解决方案有其独特的属性。
超级电容器和电池的内阻差异是两类储能器件性能差异的主要原因。例如，当应用需要爆发能量时，电池电压会由于其高内阻且无法支持高浪涌而降低。超级电容器具有较低的内阻，使其能够提供高突发能量而不会对设备造成损坏。
因此，虽然电池具有明显更高的能量密度，但超级电容器可以支持更高的功率突发。在一些机器人动力应用中，这使它们成为天然的“备电选项”。在混合动力系统中，超级电容器可以支持任何瞬时能量需求，保护电池，而电池可以提供长期稳定的能量流。这可以延长电池的运行时间并防止充电容量随着电池老化而下降。
超级电容器 (UltraCap) 可以同时充电和放电，而电池则受到充电速率较慢的限制。 （图片来源：Tecate Group）
超级电容器太重，无法使用无人驾驶飞行器或无人机，而且对于大型电动汽车来说通常不具有成本效益。然而，在物流机器人和自动导引车（AGV）等系统中，超级电容器或混合超级电容器和锂离子电池电源系统可能是有效的。超级电容器的高循环寿命是物流机器人、AGV 和类似应用的一大优势，这些应用可以从每周 7 天的全天候运行中受益。与超级电容器相比，电池的循环寿命要低几个数量级。
电池是汽车应用中的主要能源，超级电容器用于满足再生制动或其他辅助电源需求。在物流机器人和类似系统中，角色可以互换，超级电容器成为主要电源，受益于频繁的快速充电机会。同时，当充电机会稀缺时，电池可以充当补充电源。
超级电容在冷凝物流行业的应用
微型配送中心如雨后春笋般涌现，以满足电子杂货和其他新兴应用的需求。这些新的微型配送中心经常设有冷冻食品或新鲜蔬菜和肉类的冷藏室。锂离子 (Li-ion) 电池在低温环境下无法提供最佳性能。因此，这些新配送中心的一些机器人已将锂离子电池更换为超级电容器。
一般来说，与电池相比，超级电容器可以在较低的温度下使用。这使得超级电容器在电子杂货微型配送中心的冷藏和冷冻部分非常有用。超级电容器的循环寿命为 100,000 次甚至更多，而锂离子电池最多只能达到数千次循环。超级电容器更长的循环寿命和在几秒钟内充电的能力使其在这些应用中非常有用。机器人需要在三个温度区连续运行。
混合超级电容器所需的电池管理系统（CMS）比使用锂离子电池所需的电池管理系统（BMS）更简单。锂离子电池 BMS 需要关注安全运行。超级电容器的CMS 涉及电池电压均衡，以最大限度地延长电池的使用寿命。超级电容器的寿命与施加的电压和工作温度有关。电池级更高的温度和更高的工作电压会导致 ESR 增加得更快，并缩短超级电容器的使用寿命。
超级电容器需要一种额定电压从全额定电压到额定电压二分之一的宽范围 DC/DC 转换器，以实现最佳系统性能。这与作为恒压源运行的电池不同。使用最佳 DC/DC 转换器可以利用所有存储的能量，从而可以使用更小的超级电容器，从而减小解决方案尺寸和成本。
超级电容供电的物流机器人在冷藏环境中表现良好。 （图片：警报创新）
用于机器人的超级电容器和电机驱动器
超级电容器模块正在工业环境中使用，以确保机器和机器人解决电网断电、满足峰值负载需求并回收制动能量。这些储能模块被称为 UltraCap“DLC 模块”，标称电压为 95V，可以串联连接以提供特定应用所需的电压。根据应用，它们直接连接到直流/直流转换器，再连接到所支持的电机驱动器中的直流链路。可以使用集成通信总线实时监控环境工作条件和超级电容器的健康状态。
超级电容器模块为工业机器（包括固定机器人）提供备用电源。 （图片来源：西门子）
智能电源管理（SPM）备用电源系统将能量存储与电源管理结合起来。它的设计目的是确保机器和机器人即使在电网不可靠的情况下也能继续运行，避免峰值负载，并利用制动能量。在安装 SPM 之前，需要分析操作环境的负载概况，以确定优化功率流和可用性的机会。根据需要，可以在基本超级电容器储能系统中添加额外的电解电容器、飞轮储能，甚至可充电电池。 SPM 的使用提高了机器人的生产率、降低了能源成本并减少了 CO 2 排放。
非对称超级电容器
混合超级电容器，也称为锂离子电容器，是一种不对称器件，其工作特性介于锂离子电池和传统（对称）超级电容器之间。混合超级电容器的工作电压为3.8V，而对称超级电容器的工作电压为2.5V。与对称超级电容器相比，混合超级电容器具有更高的电容和能量密度（高达 10 倍）以及更低的自放电和待机电流。
但在某些领域，对称超级电容器的性能优于混合设备：对称超级电容器的 ESR 较低，因此功率能力较高；对称器件具有更宽的工作温度范围；对称器件可以放电到零伏，而混合器件只能放电到最低约2.2V。由于最后一个差异，与对称设备相比，使用混合超级电容器时需要不同的 CMS。
研究人员提议使用可持续的石墨烯混合材料作为超级电容器的正极。它与经过验证的钛和碳负极相结合。由此产生的“不对称”储能装置可以提供 73 Wh/kg 的能量密度，与镍氢 (NiMH) 可充电电池的能量密度相似，并且比传统超级电容器提供的 16 kW/kg 功率密度要好得多。
新型混合正极基于化学改性石墨烯与纳米结构金属有机框架（MOF）的结合。该杂化材料比表面积大，每克可达900平方米，孔径可控，导电率高。
由金属有机框架（MOF）和石墨酸制成的石墨烯混合物（左）是超级电容器的优异正极，其能量密度与镍氢电池相似。 （图片来源：慕尼黑工业大学）
组分之间需要牢固的化学键才能产生化学稳定的杂化结构。在这种情况下，石墨酸和 MOF 之间存在稳定且牢固的连接。由于键的稳定性，可以进行更多的充电/放电循环而不会降低性能。传统锂离子电池的使用寿命可达约 5,000 次循环，而新型混合超级电容器电池在 10,000 次循环后仍保留近 90% 的容量。
总结
机器人电池选项和燃料电池相比，超级电容器可以为特定类别的机器人和机器人用例带来独特的性能优势。锂离子电池的能量密度明显高于超级电容器，但超级电容器具有更高的功率密度和更长的循环寿命。因此，结合电池和超级电容器的混合系统可以提供超越单一技术解决方案的优势。此外，超级电容器本身正在发展并成为“混合”设备，将传统超级电容器和可充电电池的功能整合到单个设备中。如今的锂离子电容器是不对称器件，其工作特性介于锂离子电池和传统（对称）超级电容器之间。更先进形式的不对称（混合）超级电容器的开发正在进行中，并将扩大超级电容器的应用。
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