超級電容與小型能量采集源的結(jié)合

圖5，微發(fā)電機(jī)包括一個二極管橋，防止超級電容反充電給發(fā)電機(jī)，這就得到了一個簡單的充電電路。

開路電壓為8.5V，需要一個雙芯的超級電容，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)，一個小電流主動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超級電容的均衡泄漏電流為1μA/F。

當(dāng)超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因?yàn)樘茧姌O中的離子會擴(kuò)散進(jìn)入孔隙中。泄漏電流會穩(wěn)定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經(jīng)驗(yàn)估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為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，穩(wěn)定到均衡值的時間會減小，因?yàn)殡x子擴(kuò)散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據(jù)不同的超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設(shè)計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應(yīng)考慮測試這個最小充電電流。

芯均衡

對于要求超級電容端子電壓大于芯額定電壓的電路，要將多只超級電容芯串聯(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?，有不同的電?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)這個目標(biāo)，各電容芯會在各自之間重新分配電荷；這樣，某個電容芯就可能進(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間老化時，可能會加重這個問題。最簡單的均衡電路是每個芯并聯(lián)一只電阻。根據(jù)超級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，限制輸出電流。最終設(shè)計是，在均衡一只0.5F CAP-XX HW207超級電容160小時后，電流為2μA~3μA(圖8)。為適應(yīng)于對數(shù)坐標(biāo)，芯均衡電流的絕對值可以為正也可以為負(fù)。

圖8，本設(shè)計在對一個0.5F的CAP-XX HW207超級電容做160小時均衡后的電流為2μA~3μA。

溫度特性

超級電容對能量采集應(yīng)用的一個主要優(yōu)勢是它們有寬范圍的溫度性能。實(shí)例有：采用振動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光下工作的太陽能板。在-30℃時超級電容的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，超級電容是電池的替代品；還有一些應(yīng)用中，超級電容為電池提供支持。有些情況下，超級電容可能無法存儲足夠的能量，此時就有必要使用電池了。例如，當(dāng)環(huán)境能源(例如太陽)為間歇式時，如在夜間，則存儲的能量不僅要用于提供峰值功率，而且還要支撐應(yīng)用更長的時間。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電容充電，而超級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)不會深度循環(huán)，從而延長了電池壽命。超級電容存儲物理電荷，而不是像電池那樣的化學(xué)反應(yīng)，因此超級電容實(shí)際有無限的循環(huán)壽命。

當(dāng)超級電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖時，各個脈沖之間存在著一個重要的間隔，如果脈沖相距過近，則讓超級電容總是處于充電狀態(tài)會更有效率。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電容充電。這個間隔取決于多種因素，包括超級電容在達(dá)到均衡泄漏電流以前吸納的電容、超級電容的自放電特性，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間，這種選擇才是有效的，而不能用于對不可預(yù)測事件的反應(yīng)，如電池失效或外部刺激。