使用帶有小型太陽能電池的超級電容器進(jìn)行電源管理和能量存儲，第 2 部分
一.確定超級電容器的尺寸
確定超級電容器尺寸時的注意事項(xiàng)：
· 應(yīng)用的最大和最小電源電壓
· 支持峰值功率爆發(fā)持續(xù)時間所需的能量
· 峰值電流 x 超級電容器 ESR 引起的電壓降
· 如果適用，在無光照的情況下支持應(yīng)用程序的最長持續(xù)時間所需的能量
· 足夠的凈空，以允許隨著時間的推移而老化。
二.單電池還是雙電池超級電容器
設(shè)計(jì)師面臨的首要選擇是使用單電池還是雙電池超級電容器。超級電容器是低壓器件，典型的最大電池電壓為 2.7V。具有 2 個串聯(lián)電池的雙電池超級電容器使該最大電壓翻倍。單電池解決方案成本更低，需要的空間更少，并且不需要電池平衡。如果應(yīng)用的最大-最小電壓為 3V–2V，例如 BLE，則在降低的電壓范圍(例如 2.7V–2.0V)上運(yùn)行該應(yīng)用，并使用單個電池。如果應(yīng)用最小電壓大于最大單節(jié)電壓，例如 GPRS 模塊的 3.2V，那么雙節(jié)超級電容器是直接提供峰值負(fù)載電流的超級電容器的最佳解決方案。
電容和 ESR
許多工程師只是簡單地使用能量平衡來確定超級電容器的大?。?
超級電容器能量，? C(V init 2 – V final 2 ) = 負(fù)載能量……。(1)
E LOAD =平均負(fù)載功率 x 負(fù)載持續(xù)時間……………….. (2)
因此，C = 2 x E LOAD /(V init 2 – V final 2 )，其中 V init是超級電容器的初始電壓，V final是超級電容器在峰值負(fù)載結(jié)束時可以放電到的最小電壓。
在這種情況下，負(fù)載電流是恒定的，不隨電壓變化，因此隨著超級電容器放電，負(fù)載電壓下降，負(fù)載電流保持恒定。LED 就是這類負(fù)載的一個很好的例子。最終負(fù)載電壓由下式給出：
V final = V init – I LOAD x ESR – I LOAD x T LOAD /C
該公式假設(shè) I LOAD在脈沖持續(xù)時間 T LOAD內(nèi)是恒定的。如果在持續(xù)時間為 T 的脈沖期間存在電流峰值，則超級電容器的大小應(yīng)滿足：
V final > V init – max[Iavge(t).t/C-ESR.i(t)], 0 ≤ t ≤ T LOAD
其中 I avge (t) 是周期 0 到 t 的平均電流，i(t) 是時間 t 的瞬時電流。
現(xiàn)在可以選擇具有足夠 C 和 ESR 的超級電容器以在持續(xù)時間 T LOAD內(nèi)支持負(fù)載。
ii) 恒功率
在這種情況下，負(fù)載功率保持恒定，因此隨著超級電容器放電和負(fù)載電壓下降，負(fù)載電流增加以保持 V LOAD x I LOAD乘積恒定。DC:DC 轉(zhuǎn)換器的輸入是恒定功率負(fù)載，因此這將是能量收集應(yīng)用中最常見的情況。設(shè)計(jì)人員需要求解圖 5中的方程。
要正確設(shè)置超級電容器的尺寸，請?jiān)O(shè)置 V final = V application_minimum + I LOAD .ESR 并使用上面的等式 (1) 和 (2)。
漏電流
重要的是超級電容器的漏電流<<太陽能電池提供的充電電流，否則超級電容器充電太慢，或者根本不充電，系統(tǒng)也會效率低下，浪費(fèi)大量能量。漏電流為與電容成正比。它還嚴(yán)重依賴于電極箔材料(活性炭、粘合劑)和使用的隔膜。CAP-XX 的小型棱柱形超級電容器系列的漏電流約為 1μA/F。顯示了 GA109 超級電容器隨時間的泄漏電流：180mF、40mΩ、2.5V。
請注意，在超級電容器最初充電到最終平衡值后，泄漏電流會隨時間衰減，在這種情況下約為 0.5μA << 太陽能電池充電電流。這是所有有機(jī)電解質(zhì)超級電容器的特點(diǎn)。顯示了從 0V 充電的超級電容器的漏電流。在所描述的太陽能應(yīng)用中，一旦超級電容器最初充電，它只會經(jīng)歷淺放電以支撐負(fù)載，因此泄漏電流保持在平衡值附近。請注意，水性電解質(zhì)超級電容器在充電后立即處于平衡泄漏電流，但其泄漏電流比有機(jī)電解質(zhì)超級電容器大一個數(shù)量級。
老化
隨著時間的推移，所有超級電容器都會隨著 C 的損失和 ESR 的增加而老化。老化速度將取決于超級電容器的電壓和溫度曲線。上面的 C 和 ESR 計(jì)算應(yīng)該是壽命終止值，初始 C 和 ESR 應(yīng)該考慮到預(yù)期的 C 損失和 ESR 增加。
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