超级电容与小型能量采集源的结合 传感器, 电池

Bazinga

小型无线传感器正在遍及每个角落。传感器应用包括建筑控制、工业控制、安保、定位跟踪以及RFID。小型能量采集源为这些传感器自动供电，不需要昂贵的布线以及重复更换的电池，从而更加方便且具有高成本效益。
我们周围的环境可提供无限的能量，包括压电、热、振动以及光伏太阳能，但功率很低，因此达不到通过无线网络传输数据时对峰值功率的需求，如IEEE802.15.4 (ZigBee)、802.11(WLAN)或 GSM/GPRS。电池或超级电容作为一种功率缓冲器，能够存储足够的能量，为数据采集与传输提供所需要的突发功率。这些能量存储设备以小功率充电，而在需要时提供突发的能量。

确定超级电容的大小

超级电容芯通常工作在2.3V~2.8V。最有效率和最有性价比的策略是将超级电容的充电电压限制在低于其额定电压下，并为应用存储足够的能量。一种确定超级电容的简单方法是计算出支持应用峰










如果电流与ESR的乘积明显大于超级电压的最终电压，则这个计算就很重要。此时，用简单的能量平衡方法会让超级电容值过小。在低温时很可能会出现这种问题，此时ESR通常要比室温下高出2倍到3倍。

超级电容的容值与ESR也应允许老化。超级电容会随着时间而缓慢地丢失电容值，增加ESR。老化速度取决于电池芯电压与温度。设计者应对初始电容和ESR做出选择，使寿命终止时的电容与ESR仍可以支持应用。

超级电容的充电

一个放电的超级电容就像一个与能量源短接的电路。所幸，很多能量采集源(如太阳能电池和微发电机)都可以驱动一个短接的电路，从0V起为一只超级电容直接充电。与各种能量源(如压电或热电能)接口的IC必须能够驱动一个短接的电路，从而为超级电容充电。

业界在MPPT(最大峰值功率追踪)方面做了很大努力，以从能量采集源最有效地获得功率。当必须用恒压方式为电池充电时，这种方案是可行的。电池充电器通常是一个dc/dc转换器，它对能量源是一个恒定功率的负载，因此，采用MPPT在最高效点获得能量就是有意义的。

与电池相反，超级电容不需要以恒压充电，而以电源可以提供的最大电流充电时效率最高。图2显示了一个简单而有效的充电电路，用于太阳能电池阵列的开路电压小于超级电容额定电压的情况。二极管可防止超级电容在太阳能电池无光照情况下对其反充电。如果能源的开路电压大于超级电容的电压，则超级电容需要采用分流稳压器做过压保护(图3)。分流稳压器是过压保护一种廉价而简单的方案，一旦超级电容充满电，就无所谓是否消耗了过多的能量。




图3，如果能量源的开路电压大于超级电容的电压，则超级电容需要采用分流稳压器做过压保护。






图4，一只微发电机的电压-电流特性类似于太阳能电池芯，能为一个短接电路提供最大的电流。



能量采集器就像一根能无限供水的水管，为一个水槽注水(好比一只超级电容)。如果水槽满了，水管仍开着，水就会溢出。这与电池不同，电池供给能量有限，因此需要串联稳压器。

在图2中的电路里，超级电容为0V，从一块太阳能电池芯获取短路电流。随着超级电容的充电，电流下降，这取决于太阳电池芯的电压/电流特性。但超级电容总是要获取可能的最大电流，因此它以尽可能大的速率充电。图3中的电路采用了TLV3011太阳能电池芯，因为它内含了一个电压基准，只需要约3μA的静态电流，并且它是一种漏极开路电池芯，当稳压器关断时，输出就是开路的。电路采用了BAT54二极管，因为它在小电流时有低的正向压降，即在正向电流小于10μA时，正向电压小于0.1V。
微发电机很适合于工业控制应用，如监控旋转的机器，因为机器在工作时会发生振动。图4给出了一只微发电机的电压-电流特性，它类似于一只太阳能电池芯，能够为一个短接电路提供最大的电流。微发电机还带有一个二极管桥，可防止超级电容为发电机反向充电，这就得到了一个简单的充电电路(图5)。





图5，微发电机包括一个二极管桥，防止超级电容反充电给发电机，这就得到了一个简单的充电电路。




开路电压为8.5V，需要一个双芯的超级电容，如CAP-XX HZ202，它的工作电压为5.5V。并联稳压器提供了过压保护，一个小电流主动均衡电路可确保各电容芯之间的平均分配。凌力尔特技术公司的LT3652、LTC3108和LTC3625 IC以及德州仪器公司的BQ25504一起，由能量采集源为超级电容充电。

泄漏电流

由于有些能量采集器只能提供数微安的电流，因此泄漏电流就变得很关键。超级电容泄漏电流可以小于1μA，因此适合于能量采集应用(图6)。




图6，根据经验，室温下CAP-XX超级电容的均衡泄漏电流为1μA/F。




当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄漏电流随温度升高而呈指数上升。当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

芯均衡

对于要求超级电容端子电压大于芯额定电压的电路，要将多只超级电容芯串联，以达到额定电压，如5V或12V。这种情况下，就需要采用一个芯均衡电路，否则，某只电容芯就可能进入过压状况，因为所有的电容芯的泄漏电流都有所差异，有不同的电压-泄漏电流特性。但因为它们是串联的，所以它们必须有相同的泄漏电流。为实现这个目标，各电容芯会在各自之间重新分配电荷；这样，某个电容芯就可能进入过压状态。电容芯处于不同温度下或以不同速率随时间老化时，可能会加重这个问题。最简单的均衡电路是每个芯并联一只电阻。根据超级电容的泄漏电流以及工作温度，电阻值通常在1kΩ~50kΩ之间，但对大多数能量采集应用来说，通过均衡电路的泄漏电流太高。能量采集应用的较好办法是采用一种小电流的有源均衡电路(图7)。




图7，小电流有源均衡电路可用于能量采集应用。
图7中的MAX4470运放供电电流为750nA，具有轨至轨的输入与输出能力。R3用于当某只电容芯造成短路时，限制输出电流。最终设计是，在均衡一只0.5F CAP-XX HW207超级电容160小时后，电流为2μA~3μA(图8)。为适应于对数坐标，芯均衡电流的绝对值可以为正也可以为负。





图8，本设计在对一个0.5F的CAP-XX HW207超级电容做160小时均衡后的电流为2μA~3μA。



温度特性

超级电容对能量采集应用的一个主要优势是它们有宽范围的温度性能。实例有：采用振动变换器的能量位置追踪单元，它可以工作在低于零度的温度下，另外还有可在冬天阳光下工作的太阳能板。在-30℃时超级电容的ESR通常是室温下ESR的两到三倍，因此即使在低温下，它仍可以提供峰值功率。与之相比，薄膜型电池的内阻在这种低温下可能达到数千欧姆。

做电池的补充

在某些应用中，超级电容是电池的替代品；还有一些应用中，超级电容为电池提供支持。有些情况下，超级电容可能无法存储足够的能量，此时就有必要使用电池了。例如，当环境能源(例如太阳)为间歇式时，如在夜间，则存储的能量不仅要用于提供峰值功率，而且还要支撑应用更长的时间。如果所需峰值功率超过了电池可以提供的量(如在低温下做GSM呼叫或小功率传输)，则电池可以用小功率为超级电容充电，而超级电容来提供大的脉冲功率。这种结构还意味着电池永远不会深度循环，从而延长了电池寿命。超级电容存储物理电荷，而不是像电池那样的化学反应，因此超级电容实际有无限的循环寿命。


当超级电容从一只电池充电来提供峰值功率脉冲时，各个脉冲之间存在着一个重要的间隔，如果脉冲相距过近，则让超级电容总是处于充电状态会更有效率。但如果脉冲间距不太近，则能效更高的办法是在峰值功率事件以前为超级电容充电。这个间隔取决于多种因素，包括超级电容在达到均衡泄漏电流以前吸纳的电容、超级电容的自放电特性，以及电路为了提供给峰值功率事件而从超级电容拉出的电荷。只有当你预先知道峰值功率事件的来临时间，这种选择才是有效的，而不能用于对不可预测事件的反应，如电池失效或外部刺激。