設(shè)計策略:使用超級電容儲能 多大才足夠大？

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

答案簡單的電能計算方法可能達(dá)不到要求，除非您將影響超級電容整個生命周期的儲能性能的所有因素都考慮進去。

簡介

在電源備份或保持系統(tǒng)中，儲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)到所需的保持時間，但又不過度設(shè)計系統(tǒng)。也就是說，必須計算在應(yīng)用使用壽命內(nèi)滿足保持／備份時間要求所需的儲能量，而不過度儲能。

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

靜電雙層電容（EDLC）或超級電容（supercaps）都是有效的儲能設(shè)備，可以彌補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，超級電容能夠承受更快速地充放電周期。因此在電能相對較低的備用電源系統(tǒng)、短時充電系統(tǒng)、緩沖峰值負(fù)載電流系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)中，超級電容用于短期儲能比電池更好（參考表1）。在現(xiàn)有的電池－超級電容混合系統(tǒng)中，超級電容的高電流和短時電源功能是對電池的長持續(xù)時間、緊湊儲能功能的有效補充。

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，超級電容承受高溫和高電池電壓會縮短超級電容的使用壽命。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．過度簡單的設(shè)計導(dǎo)致超級電容充電方案存在風(fēng)險的示例

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

?各個堆疊電池可實現(xiàn)電壓平衡，確保無論電池之間是否失配，都在所有運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)能從給定的超級電容獲取最大電量

?浪涌限流，支持帶電插入電路板

?與主機控制器通信

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公司超級電容充電器的功能。

對于采用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超級電容備份電源管理器

對于采用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大電流超級電容后備控制器和系統(tǒng)監(jiān)視器

?LTC3351可熱插拔的超級電容充電器、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，使用單個超級電容或其他能源進行臨時備份或斷電應(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，可用于為單個超級電容、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，請聯(lián)系當(dāng)?shù)?/span>FAE或地區(qū)支持團隊。

計算保持或備份時間

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

表2．集成式超級電容充電器解決方案的功能概覽

＊可以配置用于四個以上電容

這項設(shè)計任務(wù)就相當(dāng)于一位徒步旅行者確定進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多帶水，天冷時少帶水。

選擇超級電容與此非常類似；保持時間和負(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，以及超級電容本身的ESR。一般而言，超級電容的壽命終止（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。

這兩個參數(shù)在以下計算中非常重要。

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)從易失性存儲器保存到非易失性存儲器的電路。

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)故障時平穩(wěn)關(guān)閉，或在出現(xiàn)短暫的電源故障時繼續(xù)運行。

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

電容中儲存的電能

根據(jù)設(shè)計常識和經(jīng)驗，要求電容中存儲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。

超級電容電能損失量相當(dāng)于我們無法從超級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需要考慮的一個重要參數(shù)。

采用前面的電容電能計算方法，減去低于VDropout時無法獲取的電能，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增加存儲的電能，但這種策略存在嚴(yán)重的缺陷。通常，超級電容的絕對最大額定電壓為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，會降低超級電容的使用壽命。對于需要很長的使用壽命或在相對較高的環(huán)境溫度下運行的穩(wěn)健應(yīng)用，建議使用較低的VCapacitor。各超級電容供應(yīng)商通常根據(jù)嵌位電壓和溫度來提供估計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)）