使用超級(jí)電容儲(chǔ)能：多大才足夠大？

問題為備用電源系統(tǒng)選擇超級(jí)電容時(shí)，可以采用簡(jiǎn)單的能源計(jì)算方法嗎？

答案簡(jiǎn)單的電能計(jì)算方法可能達(dá)不到要求，除非您將影響超級(jí)電容整個(gè)生命周期的儲(chǔ)能性能的所有因素都考慮進(jìn)去。

簡(jiǎn)介

在電源備份或保持系統(tǒng)中，儲(chǔ)能媒介可能占總物料成本（BOM）的絕大部分，且占據(jù)大部分空間。優(yōu)化解決方案的關(guān)鍵在于仔細(xì)選擇元件，以達(dá)到所需的保持時(shí)間，但又不過度設(shè)計(jì)系統(tǒng)。也就是說，必須計(jì)算在應(yīng)用使用壽命內(nèi)滿足保持／備份時(shí)間要求所需的儲(chǔ)能量，而不過度儲(chǔ)能。

本文介紹考慮超級(jí)電容在其使用壽命期間的變化，在給定保持時(shí)間和功率下選擇超級(jí)電容和備用控制器的策略。

靜電雙層電容（EDLC）或超級(jí)電容（supercaps）都是有效的儲(chǔ)能設(shè)備，可以彌補(bǔ)更大更重的電池系統(tǒng)和大容量電容之間的功能差距。相比可充電電池，超級(jí)電容能夠承受更快速地充放電周期。因此在電能相對(duì)較低的備用電源系統(tǒng)、短時(shí)充電系統(tǒng)、緩沖峰值負(fù)載電流系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)中，超級(jí)電容用于短期儲(chǔ)能比電池更好（參考表1）。在現(xiàn)有的電池－超級(jí)電容混合系統(tǒng)中，超級(jí)電容的高電流和短時(shí)電源功能是對(duì)電池的長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間、緊湊儲(chǔ)能功能的有效補(bǔ)充。

表1．EDLC和鋰離子電池之間的比較

＊為了保持合理的使用壽命

需注意，超級(jí)電容承受高溫和高電池電壓會(huì)縮短超級(jí)電容的使用壽命。必須確保電池電壓不超過溫度和電壓額定值，在需要堆疊超級(jí)電容，或者輸入電壓無法獲得有效調(diào)節(jié)的應(yīng)用中，這些參數(shù)符合工作規(guī)格要求（參見圖1）。

圖1．過度簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)導(dǎo)致超級(jí)電容充電方案存在風(fēng)險(xiǎn)的示例

使用分立式組件很難構(gòu)建出可靠又高效的解決方案。相比之下，集成式超級(jí)電容充電器／備用控制器解決方案易于使用，且一般提供以下大部分或全部功能

?無論輸入電壓如何變化，都能穩(wěn)定調(diào)節(jié)電池電壓

?各個(gè)堆疊電池可實(shí)現(xiàn)電壓平衡，確保無論電池之間是否失配，都在所有運(yùn)行條件下提供匹配的電壓

?電池電壓保持低傳導(dǎo)損耗和低壓差，確保系統(tǒng)能從給定的超級(jí)電容獲取最大電量

?浪涌限流，支持帶電插入電路板

?與主機(jī)控制器通信

選擇合適的集成式解決方案

ADI公司提供一系列集成式解決方案，均采用所有必需的電路，通過單個(gè)IC提供備用系統(tǒng)的所有基本功能。表2總結(jié)了一些ADI公司超級(jí)電容充電器的功能。

對(duì)于采用3．3 V或5 V供電軌的應(yīng)用，可以考慮

?LTC31102 A雙向降壓－升壓型DC－DC穩(wěn)壓器和充電器／平衡器

?LTC40412．5 A超級(jí)電容備份電源管理器

對(duì)于采用12 V或24 V供電軌的應(yīng)用，或者如果需要高于10 W的備用電源，可以考慮

?LTC3350大電流超級(jí)電容后備控制器和系統(tǒng)監(jiān)視器

?LTC3351可熱插拔的超級(jí)電容充電器、后備控制器和系統(tǒng)監(jiān)視器

如果您的系統(tǒng)需要使用主降壓穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)3．3 V或5 V供電軌，使用內(nèi)置升壓轉(zhuǎn)換器來備份，使用單個(gè)超級(jí)電容或其他能源進(jìn)行臨時(shí)備份或斷電應(yīng)急操作，您應(yīng)該考慮

?LTC335520 V、1 A降壓型DC－DC系統(tǒng)，帶集成式超級(jí)電容充電器和后備穩(wěn)壓器

ADI公司還提供許多其他恒流／恒壓（CC／CV）解決方案，可用于為單個(gè)超級(jí)電容、電解電容、鋰離子電池或NiMH電池充電。

有關(guān)其他解決方案的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系當(dāng)?shù)?/span>FAE或地區(qū)支持團(tuán)隊(duì)。

計(jì)算保持或備份時(shí)間

在設(shè)計(jì)超級(jí)電容儲(chǔ)能解決方案時(shí)，多大才足夠大？為了限定討論分析的范圍，我們將重點(diǎn)探討高端消費(fèi)電子產(chǎn)品、便攜式工業(yè)設(shè)備、電能計(jì)量和軍事應(yīng)用中使用的經(jīng)典保持／備份應(yīng)用。

表2．集成式超級(jí)電容充電器解決方案的功能概覽

＊可以配置用于四個(gè)以上電容

這項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)就相當(dāng)于一位徒步旅行者確定進(jìn)行一天徒步旅行需要帶多少水。帶少量水上山一開始肯定很輕松，但他可能過早地將水喝完，尤其是在艱難的徒步行程中。而攜帶一大瓶水的話，徒步旅行者需要背負(fù)額外的重量，但可以在整個(gè)旅程中可以保持充足飲水。此外，徒步旅行者還需要考慮天氣狀況天熱時(shí)多帶水，天冷時(shí)少帶水。

選擇超級(jí)電容與此非常類似；保持時(shí)間和負(fù)載與環(huán)境溫度一樣，都非常重要。此外，還必須考慮標(biāo)稱電容的使用壽命退化，以及超級(jí)電容本身的ESR。一般而言，超級(jí)電容的壽命終止（EOL）參數(shù)定義為

?額定（初始）電容降低到標(biāo)稱電容的70％。

?ESR達(dá)到了額定初始值的兩倍。

這兩個(gè)參數(shù)在以下計(jì)算中非常重要。

要確定電源組件的大小，需要先了解保持／備份負(fù)載規(guī)格。例如，在電源故障的情況下，系統(tǒng)可能會(huì)禁用非關(guān)鍵負(fù)載，以便將電能傳輸給關(guān)鍵電路，例如那些將數(shù)據(jù)從易失性存儲(chǔ)器保存到非易失性存儲(chǔ)器的電路。

電源故障有多種形式，但備份／保持電源通常必須支持系統(tǒng)在持續(xù)故障時(shí)平穩(wěn)關(guān)閉，或在出現(xiàn)短暫的電源故障時(shí)繼續(xù)運(yùn)行。

這兩種情況下，都必須根據(jù)備份／保持期間需要支持的負(fù)載總量，以及必須支持這些負(fù)載的時(shí)間，來確定組件大小。

保持或備份系統(tǒng)所需的能量

電容中儲(chǔ)存的電能

根據(jù)設(shè)計(jì)常識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，要求電容中存儲(chǔ)的電能必須大于保持或備份所需的電能

這可以粗略估算出電容的大小，但不足于確定真正可靠的系統(tǒng)所需的大小。必須確定關(guān)鍵細(xì)節(jié)，比如造成電能損失的各種原因，這些最終可能導(dǎo)致需要更大的電容。電能損失分為兩類因DC－DC轉(zhuǎn)換器效率導(dǎo)致的損失，以及電容本身導(dǎo)致的損失。

如果在保持或備份期間，由超級(jí)電容為負(fù)載供電，還必須知道DC－DC轉(zhuǎn)換器的效率。效率取決于占空比（線路和負(fù)載）條件，可以從控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取。表2中器件的峰值效率為85％到95％，在保持或備份期間隨負(fù)載電流和占空比不同而變化。

超級(jí)電容電能損失量相當(dāng)于我們無法從超級(jí)電容中提取的電能量。這種損耗由DC－DC轉(zhuǎn)換器的最小輸入工作電壓決定，取決于DC－DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?，稱為壓差。這是在比較集成式解決方案時(shí)需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。

采用前面的電容電能計(jì)算方法，減去低于VDropout時(shí)無法獲取的電能，可以得到

那么，VCapacitor呢？很顯然，將VCapacitor設(shè)置為接近其最大額定值會(huì)增加存儲(chǔ)的電能，但這種策略存在嚴(yán)重的缺陷。通常，超級(jí)電容的絕對(duì)最大額定電壓為2．7 V，但典型值為2．5 V或低于2．5 V。這是考慮到應(yīng)用的使用壽命，以及額定的工作環(huán)境溫度（參見圖2）。在較高的環(huán)境溫度下使用較高的VCapacitor，會(huì)降低超級(jí)電容的使用壽命。對(duì)于需要很長(zhǎng)的使用壽命或在相對(duì)較高的環(huán)境溫度下運(yùn)行的穩(wěn)健應(yīng)用，建議使用較低的VCapacitor。各超級(jí)電容供應(yīng)商通常根據(jù)嵌位電壓和溫度來提供估計(jì)使用壽命的特性曲線。

圖2．使用壽命與嵌位電壓的關(guān)系圖（以溫度作為關(guān)鍵參數(shù)）