使用帶有小型太陽(yáng)能電池的超級(jí)電容器進(jìn)行電源管理和能量存儲(chǔ)，第 5 部分

在本案例研究中，我們將使用案例 1 中使用的相同太陽(yáng)能電池，但在陽(yáng)光明媚的日子使用戶外照明。這將用于支持每 ? 小時(shí)持續(xù) 2 秒的 SMS。SMS 突發(fā)使用 10 類 GPRS 傳輸，在 25% 占空比下具有 2A 1.1ms 脈沖。此應(yīng)用中的最大最小電壓為 3.8V – 3.0V，超級(jí)電容器應(yīng)支持 12 小時(shí)無(wú)光傳輸。CAP-XX 最近發(fā)布了從 1 到 400F 的具有成本效益的圓柱形電池系列，適用于需要更高 C 但不受工業(yè)設(shè)計(jì)限制為薄棱柱形尺寸的應(yīng)用。

在 83,000 勒克斯的陽(yáng)光下，太陽(yáng)能電池在 1.26V、49mA 時(shí)提供 62mW 的峰值功率。為這種情況選擇的LTC3105在該應(yīng)用中的效率約為 80%，因此超級(jí)電容器充電電流 = 49mA × 1.26V/3.8V × 80% = 13mA。

本應(yīng)用中的平均負(fù)載電流 = 2A × 25% × 2s/1800s = 0.56mA。

這意味著在白天，應(yīng)用程序是自我維持的，平均電流 < 平均超級(jí)電容器充電電流。即使在陰天，充電電流 ? 4mA，因此應(yīng)用是可持續(xù)的。

在此應(yīng)用中確定超級(jí)電容器的尺寸需要在 C 和 ESR、漏電流和自放電之間進(jìn)行迭代。由于負(fù)載為大電流且工作電壓高達(dá) 3.8V，因此選擇了雙節(jié)超級(jí)電容器。它可以直接提供峰值2A負(fù)載電流。

為了支持 12 小時(shí)無(wú)光照的應(yīng)用，C > 0.56mA × 12 × 3600s/(3.8V-3.0V) = 30.2 o F (3)。

選擇一對(duì)串聯(lián)的 GY12R718060M107R 100F 電池。它們的 ESR 為 15mΩ，因此串聯(lián)的 2 節(jié)電池為 30mΩ。由于 2A 脈沖 × 30mΩ = 60mV 引起的電壓降，因此等式 (3) 中的分母應(yīng)為 (3.8V – 3.06V)，這會(huì)將所需的 C 略微增加至 > 32.7 o F，因此所選的超級(jí)電容器仍然滿足要求。

串聯(lián) 100F 電池的漏電流，由于有 2 節(jié)電池串聯(lián)，它們需要一個(gè)平衡電路來(lái)確保它們的電壓均勻分布。最簡(jiǎn)單的電路是一對(duì)電阻器，但這會(huì)消耗過(guò)多的電流并在 12 小時(shí)的黑暗期間使超級(jí)電容器放電，因此我們使用了稍后描述的主動(dòng)平衡電路，它僅消耗約 3μA。

此漏電流 ? 130μA << 超級(jí)電容器充電電流在陽(yáng)光下為 13mA 或陰天時(shí)為 4mA。由于超級(jí)電容器必須在不充電的情況下支持長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，因此我們必須考慮其自放電特性，我們將其延長(zhǎng)至 70 小時(shí)。超過(guò) 12 小時(shí)，超級(jí)電容器模塊從 3.797V 放電至 3.776V 或 21mV，超過(guò) 70 小時(shí)放電至 3.693V 或 104mV。

一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤是將自放電建模為在泄漏電流處的恒流放電，或者將泄漏電流建模為與超級(jí)電容器并聯(lián)的電阻，在這種情況下為 3.8V/130μA = 29.2KΩ，并將自放電建模為 V = Vinit.e (-t/RC) ，在這種情況下，R = 29.2KΩ 和 C = 50 o F。我們證明這兩個(gè)模型顯著高估了自放電。自放電是一種擴(kuò)散過(guò)程，離子從碳電極的孔中遷移出來(lái)。擴(kuò)散與 sqrt(時(shí)間)成正比。給出了我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的 50 o F 模塊自放電的估計(jì)值. 如果超級(jí)電容器自放電在您的應(yīng)用中很重要，我們建議您使用零件樣本憑經(jīng)驗(yàn)確定這一點(diǎn)。自放電也與溫度有關(guān)。

超級(jí)電容器 C 現(xiàn)在必須滿足 C > 0.56mA x 12 x 3600/(3.8V-3.0V – 0.06V – 0.021V)，其中 0.06V 是 I LOAD x ESR 壓降，0.021V = 自放電損耗。Min C 現(xiàn)在必須 > 33.6 o F。

該電路采用有源平衡電路，以最大限度地減少泄漏電流和自放電。IC2 是一個(gè)電壓跟隨器，參考電壓通過(guò) R3 和 R5 設(shè)置為超級(jí)電容器端子的中點(diǎn)。MAX4470僅消耗 750nA 的靜態(tài)電流，可提供 11mA 的輸出電流。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，它只會(huì)消耗 3.8V/2MΩ + 750nA + 兩個(gè)電池之間的漏電流差，通?？偣仓挥袔?μA。

顯示了超級(jí)電容器在陽(yáng)光下從 0V 充電。當(dāng) LTC3105 處于冷啟動(dòng)區(qū)域時(shí)，太陽(yáng)能電池向超級(jí)電容器提供約 13mA 的充電電流，然后在充電 IC 開(kāi)始充當(dāng)升壓器時(shí)增加到超過(guò) 20mA，并在超級(jí)電容器達(dá)到 3.8V 時(shí)逐漸減小到 13mA。

即使超級(jí)電容器是華氏 50 度，陽(yáng)光下的小型太陽(yáng)能電池也能在 3.5 小時(shí)內(nèi)為它充電。

顯示了支持每 ? 小時(shí) 2 秒 GPRS 突發(fā)的超級(jí)電容器模塊。插圖詳細(xì)顯示了 GPRS 脈沖序列，每 4.6ms 有 1.15ms 2A 脈沖。圖 18中需要注意的點(diǎn) 是：

· GPRS 突發(fā)發(fā)生時(shí) Vcap 中可識(shí)別的非常小的電壓驟降

· LTC3105 如何在脈沖突發(fā)后從太陽(yáng)能電池汲取更多電流以對(duì)超級(jí)電容器充電

· 當(dāng)超級(jí)電容器完全充電時(shí)，LTC3105 關(guān)閉并且太陽(yáng)能電池電流 Isolar = 0。由于超級(jí)電容器在脈沖突發(fā)之間的 ? 小時(shí)內(nèi)緩慢放電，因此 LTC3105 遲滯功能會(huì)打開(kāi)充電器，直到超級(jí)電容器再次充滿電。

顯示了 50F 模塊支持 12 小時(shí)內(nèi)每 ? 小時(shí)一次的 GPRS 突發(fā)。Vsupercap 在 12 小時(shí)結(jié)束時(shí)結(jié)束 3V，因此滿足要求，但沒(méi)有余量。這個(gè)最終電壓比預(yù)期的要低一點(diǎn)。理論預(yù)測(cè) 50 o F、30mOhm 模塊的最終電壓 = 3.8V – (0.56mA (平均負(fù)載電流) × 12 × 3600s/50 o F + 2A (峰值電流).30mΩ (ESR) + 21mV (自放電) ) = 3.23V

本案例研究展示了如何使用具有低功率太陽(yáng)能電池能源的大型超級(jí)電容器來(lái)支持高功率應(yīng)用，即使在沒(méi)有光照的情況下也是如此。在此應(yīng)用中，與電池相比，超級(jí)電容器具有以下優(yōu)勢(shì)：物理電荷存儲(chǔ)，因此“無(wú)限”循環(huán)壽命，低 ESR 能夠?yàn)槎緫敉鈶?yīng)用提供高功率和出色的低溫性能。所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要進(jìn)一步的工作來(lái)確定放電超出預(yù)期的原因，并可能使用更大的電池。

回顧

本文回顧了：1) 如何為您的應(yīng)用表征太陽(yáng)能電池，2) 超級(jí)電容器的特性使其成為理想的功率緩沖器，使低功率太陽(yáng)能電池能夠支持具有高功率突發(fā)和平均功率 < 充電的應(yīng)用太陽(yáng)能電池提供的功率，3) 如何確定所需的超級(jí)電容器尺寸，同時(shí)考慮負(fù)載使用的能量和峰值電流，4) 超級(jí)電容器充電電路所需的特性，5) 選擇充電 IC 的標(biāo)準(zhǔn)和6) 兩個(gè)案例研究證明了這些原則。