能量收集設(shè)計(jì)中如何選擇超級(jí)電容器

低功耗微控制器在提高能量收集系統(tǒng)的使用壽命方面做了很多工作。巧妙的架構(gòu)和低功耗模式的使用使微觀電流能夠在保留寄存器和配置數(shù)據(jù)的同時(shí)吸收納安級(jí)電流。這使得設(shè)計(jì)人員可以使用過(guò)去不可行的更小，更低密度的能量存儲(chǔ)解決方案。

盡管如此，在大多數(shù)情況下仍然需要能量存儲(chǔ)作為環(huán)境能量收集系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色，作為電源緩沖器來(lái)存儲(chǔ)足夠的能量以提供獲取和傳輸數(shù)據(jù)所需的功率突發(fā)在高峰需求期間，特別是如果數(shù)據(jù)將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。這些能量存儲(chǔ)裝置通常采用電池或超級(jí)電容器（超級(jí)電容器）的形式。

超級(jí)電容器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器和可充電電池之間的差距，提供了非常適合能量收集環(huán)境的性能特性。超級(jí)電容器的電容值可達(dá)傳統(tǒng)電解電容器的10,000倍。此外，雖然過(guò)去的超級(jí)電容器只能提供化學(xué)電池能量存儲(chǔ)密度的10％左右，但新的超級(jí)電容器化學(xué)和結(jié)構(gòu)正在產(chǎn)生更高密度的能源，可以相對(duì)快速地充電。

本文介紹了設(shè)計(jì)能量收集解決方案的工程師可以使用的超級(jí)電容選項(xiàng)，特別注意絕緣和密封設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)必須能夠承受極端環(huán)境，或者與可充電電池技術(shù)不同，不能替代。

基本要點(diǎn)

超級(jí)電容器的核心元件是極化電極使用電解質(zhì)作為導(dǎo)電介質(zhì)。這與使用電解質(zhì)作為陰極端子的電解電容不同。

超級(jí)電容器可以像其他電容器或堆一樣纏繞或堆疊（圖1左右）。每個(gè)電極，電解質(zhì)，電極夾層實(shí)質(zhì)上是電雙層電容器（EDLC）。與任何電容器或電池一樣，容量與電極和電解質(zhì)的表面積以及板之間的間距成正比。并聯(lián)更多的表面積會(huì)增加電流并使它們串聯(lián)增加電壓。

圖1：基于繞線或板的結(jié)構(gòu)可使ELDC層最大化表面面積最小的區(qū)域。

即使在數(shù)千次充電/放電循環(huán)后，即使在數(shù)千次充電/放電循環(huán)后性能很小或沒(méi)有降低的很長(zhǎng)壽命的承諾是推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展的主要因素。超級(jí)電容器的有機(jī)聚合物和電解質(zhì)滿足了許多環(huán)境問(wèn)題，因?yàn)?a target="_blank">鋰離子電池中的毒素可以完全減少或消除。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以密封和加固，以抵御極端環(huán)境。不需要檢修面板或可更換電池座。

但是，有些設(shè)備只需要大量電力，而電池技術(shù)可能是唯一的選擇。立即想到帶有背光的顯示器，但無(wú)線和RF收發(fā)器也可以吸收大量的突發(fā)型電流，具體取決于系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)模式的要求。也可以將音頻應(yīng)用程序投入到這種混合中。

對(duì)于某些應(yīng)用程序，組合方法可能是最好的。當(dāng)放置在可充電電池上時(shí)，超級(jí)電池可以保護(hù)電池免于快速充電和放電，并且可以使用更多的電池能量。結(jié)果是需要更少的電池，改善了壽命和安全性，并且減少了維護(hù)。事實(shí)上，如果與可靠的能量收集解決方案協(xié)調(diào)良好，電池可能永遠(yuǎn)不會(huì)受到壓力，并且密封設(shè)計(jì)可以在額定電池的保質(zhì)期內(nèi)存活。

當(dāng)超級(jí)電容器用作預(yù)充電儲(chǔ)能器，將其視為能夠以能量收集器提供的最快速度填充的儲(chǔ)罐（圖2）。然后，充電控制器可以提供精確數(shù)量的充電能量，其終端特性可優(yōu)化給定類型電池的能量傳輸。

圖2：A切換充電控制器使能量收集系統(tǒng)能夠快速捕獲所有可用能量，同時(shí)最大限度地?fù)p失超級(jí)電容，同時(shí)將帶電超級(jí)電容的能量輸送到充電控制器。注意：充電控制器功能可以通過(guò)睡眠微控制器進(jìn)行，如果它具有可以在達(dá)到閾值時(shí)喚醒微控制器的比較器。

相反，當(dāng)需要快速突發(fā)高輸出電流時(shí)，例如當(dāng)Wi-Fi發(fā)射器啟動(dòng)時(shí)，能量可能來(lái)自預(yù)充電的超級(jí)電容（圖3）。較低的內(nèi)部電阻使其能夠比電池更有效地提供高突發(fā)的窄電流，電池可能沒(méi)有足夠低的內(nèi)阻在這里有用。

圖3：需要高電流突發(fā)的負(fù)載可以使用帶有低RDS（ON）FET的超級(jí)電容。請(qǐng)注意充電部分的電流限制，以防止在使用低電量電源（例如電池電量不足）過(guò)快地對(duì)超級(jí)電容器充電時(shí)可能發(fā)生的電壓過(guò)低。

一些樣本部分

對(duì)于需要少量電荷存儲(chǔ)但需要考慮空間的應(yīng)用，建議使用低容量，低成本的超級(jí)電容，如Panasonic的EC-RG0V105V。這種基于EDLC的1-F焊針部件類似于紐扣電池和支架的組合，工作電壓高達(dá)3.6 V，非常適合3.3 V低能耗微設(shè)計(jì)（圖4）。

圖4：類似于紐扣電池座的超級(jí)電容器可以取代舊電池，用于現(xiàn)代低功耗設(shè)計(jì)。這里的優(yōu)點(diǎn)是它們可以密封和涂層，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)不需要更換。

類似的20Ω零件來(lái)自Cornell Dubilier及其EDLRG105H3R6C。這種EDLR型雙電層超級(jí)電容器在通孔堆疊硬幣型封裝中提供高電容值。這些部件主要用于集成電路電壓備份，也可用于從電池提供初始電源。它們的優(yōu)勢(shì)在于它們可以密封和涂層，因?yàn)樗鼈冇肋h(yuǎn)不需要更換。

這些超級(jí)電容器與可靠有效的能量收集技術(shù)（如無(wú)線充電）結(jié)合使用時(shí)可以做得很好。在大多數(shù)情況下，交流電源可用于為無(wú)線充電器回路供電，從而使電路（非常接近）保持活動(dòng)狀態(tài)。超級(jí)電容器就像一個(gè)整流濾波器，提供充電輸出，但在AC無(wú)法使用時(shí)可以接管一段時(shí)間。

對(duì)于5 V系統(tǒng)，5-F Eaton PHV-5R4H505-R也是值得仔細(xì)看看。類似于晶體（圖5），該器件是該公司PowerStor PHV系列的一員，具有非常低的等效串聯(lián)電阻（ESR為70mΩ），非常適合短時(shí)間提供突發(fā)電流。

圖5：基于平行板和橢圓形纏繞的超級(jí)電容器類似于舊式晶體，可以在現(xiàn)代制造工藝中輕松處理。

在較低電壓下，更容易獲得更高的電容值。因此，1.8和2.2 V系統(tǒng)等低壓設(shè)計(jì)可以利用Maxwell Technologies 2.7 V，50 F BCAP0050 P270 T01等部件，其ESR僅為20mΩ。 Maxwell提供有關(guān)該公司HC系列零件的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，可在Digi-Key網(wǎng)站上找到。

其他制造商也參與其中。例如，伊頓2.7 V 100 F HV1860-2R7107-R更像一個(gè)小型圓柱形電池而不是紐扣電池。該器件具有超低的12mΩESR。

更高的電壓

到目前為止，我們討論的超級(jí)電容都是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的處理器和邏輯電壓。然而，還有另一個(gè)重要的領(lǐng)域，即超級(jí)電容器可以發(fā)光并且電壓更高。一個(gè)很好的例子是165 F 48 V Maxwell Technologies BMOD0165 P048 B01“Ultracapacitor?！迸c高端電池類似，這些幾乎即時(shí)充電，極低ESR（6.3mΩ）模塊直接針對(duì)電信，汽車， UPS以及否則會(huì)使用電池的工業(yè)應(yīng)用（圖6）。還提供75 V 94 F版BMOD0094 P075 B02。 Maxwell在Digi-Key的網(wǎng)站上為其48 V和75 V超級(jí)電容器（后者常用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)）提供產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

圖6 ：48和75 V Maxwell Technologies超級(jí)電容器的封裝類似 - 并直接針對(duì) - 工業(yè)，電信和其他應(yīng)用的電池。

Nichicon提供其雙電層EVerCAP（EDLC）超級(jí)電容器系列，它結(jié)合了鋁電解電容器和電池的特性，以提供速度和靈活性。這些適用于太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用。讓我們考慮一下例如4,000 F Nichicon JJD0E408MSEG。這款徑向式超級(jí)電容器額定電壓為2.5 V，采用螺絲端子，可保持極低的2.2mΩESR和極高的浪涌電流。它包括Digi-Key網(wǎng)站上的Nichicon JUM系列。

下一步是什么？

展望未來(lái)，正在開(kāi)發(fā)技術(shù)以制造超高能量密度的超級(jí)電容器，因此我們期望看到更小尺寸的低成本，高容量部件。石墨烯電極是提高能量和功率密度的最有前景的方法之一 - 理論上是鋰離子電池水平以及更高水平。事實(shí)上，使用石墨烯在超級(jí)電容器和電池中實(shí)現(xiàn)非常高的能量密度已經(jīng)被描述為“變革性”技術(shù)。

最近，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究生在科學(xué)雜志上報(bào)道他們已經(jīng)展示了DVD激光器生產(chǎn)的石墨烯超級(jí)電容器，每克可存儲(chǔ)多達(dá)276 F.同樣的研究人員在Nature Communications上發(fā)表了另一篇論文，描述了一種利用DVD刻錄機(jī)技術(shù)生產(chǎn)所謂的“超級(jí)超級(jí)電容器”來(lái)為傳感器和其他小型電子設(shè)備供電的方法。理論上限為每克550 F，可以合理地預(yù)計(jì)到目前為止，超級(jí)電容器的前期成本和能量密度將變得更具競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用。