一.確定超級(jí)電容器的尺寸

確定超級(jí)電容器尺寸時(shí)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(shí)間所需的能量

· 峰值電流 x 超級(jí)電容器 ESR 引起的電壓降

· 如果適用，在無(wú)光照的情況下支持應(yīng)用程序的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間所需的能量

· 足夠的凈空，以允許隨著時(shí)間的推移而老化。

二.單電池還是雙電池超級(jí)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(jí)電容器。超級(jí)電容器是低壓器件，典型的最大電池電壓為 2.7V。具有 2 個(gè)串聯(lián)電池的雙電池超級(jí)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(gè)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(jí)電容器是直接提供峰值負(fù)載電流的超級(jí)電容器的最佳解決方案。

電容和 ESR

許多工程師只是簡(jiǎn)單地使用能量平衡來(lái)確定超級(jí)電容器的大?。?

超級(jí)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(shí)間……………….. (2)

因此，C = 2 x E LOAD /(V init 2 – V final 2 )，其中 V init是超級(jí)電容器的初始電壓，V final是超級(jí)電容器在峰值負(fù)載結(jié)束時(shí)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(gè)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(fù)載電流是恒定的，不隨電壓變化，因此隨著超級(jí)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(lèi)負(fù)載的一個(gè)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(shí)間 T LOAD內(nèi)是恒定的。如果在持續(xù)時(shí)間為 T 的脈沖期間存在電流峰值，則超級(jí)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(shí)間 t 的瞬時(shí)電流。

現(xiàn)在可以選擇具有足夠 C 和 ESR 的超級(jí)電容器以在持續(xù)時(shí)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(jí)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(jiàn)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(jí)電容器的尺寸，請(qǐng)?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(jí)電容器的漏電流<<太陽(yáng)能電池提供的充電電流，否則超級(jí)電容器充電太慢，或者根本不充電，系統(tǒng)也會(huì)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(lài)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(jí)電容器系列的漏電流約為 1μA/F。顯示了 GA109 超級(jí)電容器隨時(shí)間的泄漏電流：180mF、40mΩ、2.5V。

請(qǐng)注意，在超級(jí)電容器最初充電到最終平衡值后，泄漏電流會(huì)隨時(shí)間衰減，在這種情況下約為 0.5μA << 太陽(yáng)能電池充電電流。這是所有有機(jī)電解質(zhì)超級(jí)電容器的特點(diǎn)。顯示了從 0V 充電的超級(jí)電容器的漏電流。在所描述的太陽(yáng)能應(yīng)用中，一旦超級(jí)電容器最初充電，它只會(huì)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(qǐng)注意，水性電解質(zhì)超級(jí)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(jí)電容器大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

老化

隨著時(shí)間的推移，所有超級(jí)電容器都會(huì)隨著 C 的損失和 ESR 的增加而老化。老化速度將取決于超級(jí)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。