超級(jí)電容與小型能量采集源的結(jié)合

圖5，微發(fā)電機(jī)包括一個(gè)二極管橋，防止超級(jí)電容反充電給發(fā)電機(jī)，這就得到了一個(gè)簡(jiǎn)單的充電電路。

開路電壓為8.5V，需要一個(gè)雙芯的超級(jí)電容，如CAP-XX HZ202，它的工作電壓為5.5V。并聯(lián)穩(wěn)壓器提供了過壓保護(hù)，一個(gè)小電流主動(dòng)均衡電路可確保各電容芯之間的平均分配。凌力爾特技術(shù)公司的LT3652、LTC3108和LTC3625 IC以及德州儀器公司的BQ25504一起，由能量采集源為超級(jí)電容充電。

泄漏電流

由于有些能量采集器只能提供數(shù)微安的電流，因此泄漏電流就變得很關(guān)鍵。超級(jí)電容泄漏電流可以小于1μA，因此適合于能量采集應(yīng)用(圖6)。

圖6，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，室溫下CAP-XX超級(jí)電容的均衡泄漏電流為1μA/F。

當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，泄漏電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)均衡值，該值取決于電容、電壓和時(shí)間。泄漏電流與電容芯成正比。超級(jí)電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時(shí)后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄漏電流隨溫度升高而呈指數(shù)上升。當(dāng)溫度升高時(shí)，穩(wěn)定到均衡值的時(shí)間會(huì)減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時(shí)間最小。根據(jù)不同的超級(jí)電容，這個(gè)電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計(jì)者在為能量采集電路挑選超級(jí)電容時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)試這個(gè)最小充電電流。

芯均衡

對(duì)于要求超級(jí)電容端子電壓大于芯額定電壓的電路，要將多只超級(jí)電容芯串聯(lián)，以達(dá)到額定電壓，如5V或12V。這種情況下，就需要采用一個(gè)芯均衡電路，否則，某只電容芯就可能進(jìn)入過壓狀況，因?yàn)樗械碾娙菪镜男孤╇娏鞫加兴町悾胁煌碾妷?泄漏電流特性。但因?yàn)樗鼈兪谴?lián)的，所以它們必須有相同的泄漏電流。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，各電容芯會(huì)在各自之間重新分配電荷；這樣，某個(gè)電容芯就可能進(jìn)入過壓狀態(tài)。電容芯處于不同溫度下或以不同速率隨時(shí)間老化時(shí)，可能會(huì)加重這個(gè)問題。最簡(jiǎn)單的均衡電路是每個(gè)芯并聯(lián)一只電阻。根據(jù)超級(jí)電容的泄漏電流以及工作溫度，電阻值通常在1kΩ~50kΩ之間，但對(duì)大多數(shù)能量采集應(yīng)用來說，通過均衡電路的泄漏電流太高。能量采集應(yīng)用的較好辦法是采用一種小電流的有源均衡電路(圖7)。

圖7，小電流有源均衡電路可用于能量采集應(yīng)用。

圖7中的MAX4470運(yùn)放供電電流為750nA，具有軌至軌的輸入與輸出能力。R3用于當(dāng)某只電容芯造成短路時(shí)，限制輸出電流。最終設(shè)計(jì)是，在均衡一只0.5F CAP-XX HW207超級(jí)電容160小時(shí)后，電流為2μA~3μA(圖8)。為適應(yīng)于對(duì)數(shù)坐標(biāo)，芯均衡電流的絕對(duì)值可以為正也可以為負(fù)。

圖8，本設(shè)計(jì)在對(duì)一個(gè)0.5F的CAP-XX HW207超級(jí)電容做160小時(shí)均衡后的電流為2μA~3μA。

溫度特性

超級(jí)電容對(duì)能量采集應(yīng)用的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它們有寬范圍的溫度性能。實(shí)例有：采用振動(dòng)變換器的能量位置追蹤單元，它可以工作在低于零度的溫度下，另外還有可在冬天陽(yáng)光下工作的太陽(yáng)能板。在-30℃時(shí)超級(jí)電容的ESR通常是室溫下ESR的兩到三倍，因此即使在低溫下，它仍可以提供峰值功率。與之相比，薄膜型電池的內(nèi)阻在這種低溫下可能達(dá)到數(shù)千歐姆。

做電池的補(bǔ)充

在某些應(yīng)用中，超級(jí)電容是電池的替代品；還有一些應(yīng)用中，超級(jí)電容為電池提供支持。有些情況下，超級(jí)電容可能無法存儲(chǔ)足夠的能量，此時(shí)就有必要使用電池了。例如，當(dāng)環(huán)境能源(例如太陽(yáng))為間歇式時(shí)，如在夜間，則存儲(chǔ)的能量不僅要用于提供峰值功率，而且還要支撐應(yīng)用更長(zhǎng)的時(shí)間。如果所需峰值功率超過了電池可以提供的量(如在低溫下做GSM呼叫或小功率傳輸)，則電池可以用小功率為超級(jí)電容充電，而超級(jí)電容來提供大的脈沖功率。這種結(jié)構(gòu)還意味著電池永遠(yuǎn)不會(huì)深度循環(huán)，從而延長(zhǎng)了電池壽命。超級(jí)電容存儲(chǔ)物理電荷，而不是像電池那樣的化學(xué)反應(yīng)，因此超級(jí)電容實(shí)際有無限的循環(huán)壽命。

當(dāng)超級(jí)電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖時(shí)，各個(gè)脈沖之間存在著一個(gè)重要的間隔，如果脈沖相距過近，則讓超級(jí)電容總是處于充電狀態(tài)會(huì)更有效率。但如果脈沖間距不太近，則能效更高的辦法是在峰值功率事件以前為超級(jí)電容充電。這個(gè)間隔取決于多種因素，包括超級(jí)電容在達(dá)到均衡泄漏電流以前吸納的電容、超級(jí)電容的自放電特性，以及電路為了提供給峰值功率事件而從超級(jí)電容拉出的電荷。只有當(dāng)你預(yù)先知道峰值功率事件的來臨時(shí)間，這種選擇才是有效的，而不能用于對(duì)不可預(yù)測(cè)事件的反應(yīng)，如電池失效或外部刺激。