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:
· 應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
設計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)上運行該應用,并使用單個電池。如果應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?。?/p>
超級電容器能量,? C(V init 2 – V final 2 ) = 負載能量……(1)
E LOAD =平均負載功率 x 負載持續(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載結束時可以放電到的最小電壓。
但是,這種方法隱含的是 ESR = 0。如果 I LOAD x ESR 《 V final的電壓降,這只是一個很好的近似值。有兩種情況需要考慮: i) 恒流
在這種情況下,負載電流是恒定的,不隨電壓變化,因此隨著超級電容器放電,負載電壓下降,負載電流保持恒定。LED 就是這類負載的一個很好的例子。最終負載電壓由下式給出:
V final = V init – I LOAD x ESR – I LOAD x T LOAD /C
該公式假設 I LOAD在脈沖持續(xù)時間 T LOAD內是恒定的。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內支持負載。
ii) 恒功率
在這種情況下,負載功率保持恒定,因此隨著超級電容器放電和負載電壓下降,負載電流增加以保持 V LOAD x I LOAD乘積恒定。DC:DC 轉換器的輸入是恒定功率負載,因此這將是能量收集應用中最常見的情況。設計人員需要求解圖 5中的方程。
要正確設置超級電容器的尺寸,請設置 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,浪費大量能量。漏電流為與電容成正比。它還嚴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 1?A/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 0.5?A 《 太陽能電池充電電流。這是所有有機電解質超級電容器的特點。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用中,一旦超級電容器最初充電,它只會經歷淺放電以支撐負載,因此泄漏電流保持在平衡值附近。請注意,水性電解質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電解質超級電容器大一個數量級。
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 計算應該是壽命終止值,初始 C 和 ESR 應該考慮到預期的 C 損失和 ESR 增加。