使用带有小型太阳能电池的超级电容器进行电源管理和能量存储，第 1 部分

为什么要收集能量?

环境有丰富的能量，但很少有力量。能量收集可以利用环境的“无限”能源，并避免连接到主电源的成本或更换和处理电池的耗时且对环境敏感的任务。许多应用都有成本和尺寸限制，因此本文将着眼于使用小型太阳能电池。近年来，太阳能电池已投入大量开发工作，使其成为最高效、最有效和可用的小型能量收集器。能量收集为无线传感器等自主应用提供了方便且具有成本效益的能量供应，并且无线传感器网络 (WSN) 正变得无处不在。本文将重点关注环境收集的太阳能，如果在房间内没有检测到，它可以为运动传感器提供动力以关闭灯，

为什么是超级电容器?

根据光照水平，无论是在室内还是室外，小型太阳能电池都可以提供亚 mW 到 10 兆瓦的功率。峰值应用功率范围可能从蓝牙的~50mW 到蜂窝传输的~7W。因此，问题就变成了如何从低功率电源为需要更高功率的无线传输供电。超级电容器解决了这个问题，起到了临时储能和电力输送的作用。

本文将在两个案例研究中研究如何将超级电容器与小型太阳能电池一起使用：

1. 相对低功耗的应用，仅在有室内光时运行，提供亚 mW 功率并使用 BLE 传输。超级电容器的大小只需针对支持峰值负载突发的能量和功率。

2. 一种户外太阳能电池，适用于必须在没有光的情况下运行的更高功率应用，例如夜间和使用 GPRS 的 SMS 报告。在这种情况下，超级电容器的尺寸适合在黑暗期间以及峰值负载期间存储能量。

小而薄的棱柱形超级电容器是第一种情况的理想选择，特别是对于外形尺寸很重要的小型、空间受限的传感器，例如在可穿戴设备中。高达 400F 的较大圆柱形罐最适合第二种情况。我将使用 CAP-XX 超级电容器来演示这两种情况。

超级电容器是理想的电源缓冲器

在低阻抗超级电容器出现之前，设计人员需要针对负载的峰值功率调整整个电源系统的尺寸。例如，假设远程位置每小时使用 SMS 报告其状态一次，该 SMS 在 GPRS 蜂窝网络上传输需要三秒钟。峰值输出功率约为 7W。对于 GPRS 8 类(单时隙传输)，平均功率 = 7/8W 和超过三秒 ~2.6J 的能量。没有超级电容器的唯一解决方案是拥有一个可以提供 7/8W 功率的太阳能电池，或者对一个可以提供这种功率的电池进行涓流充电，可能需要一个钽电容器或电解电容器来支持 0.577ms 的 7W 传输峰值。

超级电容器的高能量存储和高功率输出使其非常适合缓冲来自低功率能量收集源的高功率负载，如图 1所示。来源看到平均负载，使用适当的接口电子设备，将是设置在最大功率点的低功率恒定负载。负载看到一个低阻抗源，可以提供高功率事件持续期间所需的功率。唯一的限制是太阳能电池的平均功率 > 平均负载功率 = 负载功率 x 占空比 / 超级电容器充电器的效率。超级电容器充电器的大小也适用于平均负载功率，而不是峰值功率，因此可以使用更小、成本更低的充电器。

超级电容器使用物理电荷存储而不是电化学，因此具有“无限”循环寿命。它们还具有较宽的工作温度范围，等效串联电阻 (ESR) 在 -40°C 时约为室温 ESR 的两倍，因此可用于室外应用，例如北美和欧洲等较冷气候下的周边安全。

物理电荷存储和低 ESR 超级电容器意味着它们具有出色的往返充电/放电效率，这是电源缓冲器的另一个有益属性。超级电容器充电/放电的损耗是 I 2 ESR 损耗。

最坏的情况是支持 GPRS 传输的超级电容器，从 3.8V 放电至 3.2V，提供 2A 峰值电流。如果超级电容器 ESR = 100mΩ，则放电效率 = 95%。对于第二个案例研究，如果太阳能电池以 50mA(图 4中的峰值功率电流)为超级电容器充电，则充电效率 = 99.9%。

超级电容器的充电也非常简单，只需要具有过压保护的充电电流，而不是恒压恒流机制。

表征太阳能电池

太阳能电池数据表通常指定 VI 特性和 1 个太阳时的峰值功率：1KW/m 2或 100,000 勒克斯。在典型照明条件下可能难以估计提供的功率，因此最好在这些条件下表征太阳能电池。

改变电位器并测量太阳能电池两端的电压和 R SENSE两端的电压以确定电流。

对于本文中的两种情况，我们选择了并联的 5 x IXYS KXOB22-4X3L 太阳能电池阵列，因为它们体积小且效率高。

显示了该阵列在室内光照水平下的特性。阅读的合理光照水平约为 300 勒克斯，光线充足的办公室约为 600 勒克斯，100 勒克斯是昏暗的光线，1500 勒克斯是明亮的室内照明。实线显示电流作为太阳能电池电压的函数，当 I=0 时具有开路电压，当 V=0 时具有短路电流。虚线曲线显示了作为电压函数的功率。峰值功率点通常为开路电压的约 70% – 80%。显示该太阳能电池阵列在 100 勒克斯下提供 0.15mW 的峰值功率。在 1500 勒克斯下，峰值功率为 1.5mW。我们在案例研究中使用了 100 勒克斯。

显示了户外照明的类似曲线。我们在悉尼阳光明媚的秋日测量了 83,000 勒克斯，在 1.25V 下提供了 62mW 的峰值功率。在阴天，我们测量了 22,000 勒克斯，在 1.15V 下提供 17mW 的峰值功率。我们利用阳光明媚的日子进行案例研究。