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 2 部分

一.确定超级电容器的尺寸

确定超级电容器尺寸时的注意事项：

· 应用的最大和最小电源电压

· 支持峰值功率爆发持续时间所需的能量

· 峰值电流 x 超级电容器 ESR 引起的电压降

· 如果适用，在无光照的情况下支持应用程序的最长持续时间所需的能量

· 足够的净空，以允许随着时间的推移而老化。

二.单电池还是双电池超级电容器

设计师面临的首要选择是使用单电池还是双电池超级电容器。超级电容器是低压器件，典型的最大电池电压为 2.7V。具有 2 个串联电池的双电池超级电容器使该最大电压翻倍。单电池解决方案成本更低，需要的空间更少，并且不需要电池平衡。如果应用的最大-最小电压为 3V–2V，例如 BLE，则在降低的电压范围(例如 2.7V–2.0V)上运行该应用，并使用单个电池。如果应用最小电压大于最大单节电压，例如 GPRS 模块的 3.2V，那么双节超级电容器是直接提供峰值负载电流的超级电容器的最佳解决方案。

电容和 ESR

许多工程师只是简单地使用能量平衡来确定超级电容器的大小：

超级电容器能量，½ C(V init 2 – V final 2 ) = 负载能量……。(1)

E LOAD =平均负载功率 x 负载持续时间……………….. (2)

因此，C = 2 x E LOAD /(V init 2 – V final 2 )，其中 V init是超级电容器的初始电压，V final是超级电容器在峰值负载结束时可以放电到的最小电压。

但是，这种方法隐含的是 ESR = 0。如果 I LOAD x ESR << V final的电压降，这只是一个很好的近似值。有两种情况需要考虑： i) 恒流

在这种情况下，负载电流是恒定的，不随电压变化，因此随着超级电容器放电，负载电压下降，负载电流保持恒定。LED 就是这类负载的一个很好的例子。最终负载电压由下式给出：

V final = V init – I LOAD x ESR – I LOAD x T LOAD /C

该公式假设 I LOAD在脉冲持续时间 T LOAD内是恒定的。如果在持续时间为 T 的脉冲期间存在电流峰值，则超级电容器的大小应满足：

V final > V init – max[Iavge(t).t/C-ESR.i(t)], 0 ≤ t ≤ T LOAD

其中 I avge (t) 是周期 0 到 t 的平均电流，i(t) 是时间 t 的瞬时电流。

现在可以选择具有足够 C 和 ESR 的超级电容器以在持续时间 T LOAD内支持负载。

ii) 恒功率

在这种情况下，负载功率保持恒定，因此随着超级电容器放电和负载电压下降，负载电流增加以保持 V LOAD x I LOAD乘积恒定。DC:DC 转换器的输入是恒定功率负载，因此这将是能量收集应用中最常见的情况。设计人员需要求解图 5中的方程。

要正确设置超级电容器的尺寸，请设置 V final = V application_minimum + I LOAD .ESR 并使用上面的等式 (1) 和 (2)。

漏电流

重要的是超级电容器的漏电流<<太阳能电池提供的充电电流，否则超级电容器充电太慢，或者根本不充电，系统也会效率低下，浪费大量能量。漏电流为与电容成正比。它还严重依赖于电极箔材料(活性炭、粘合剂)和使用的隔膜。CAP-XX 的小型棱柱形超级电容器系列的漏电流约为 1µA/F。显示了 GA109 超级电容器随时间的泄漏电流：180mF、40mΩ、2.5V。

请注意，在超级电容器最初充电到最终平衡值后，泄漏电流会随时间衰减，在这种情况下约为 0.5µA << 太阳能电池充电电流。这是所有有机电解质超级电容器的特点。显示了从 0V 充电的超级电容器的漏电流。在所描述的太阳能应用中，一旦超级电容器最初充电，它只会经历浅放电以支撑负载，因此泄漏电流保持在平衡值附近。请注意，水性电解质超级电容器在充电后立即处于平衡泄漏电流，但其泄漏电流比有机电解质超级电容器大一个数量级。

老化

随着时间的推移，所有超级电容器都会随着 C 的损失和 ESR 的增加而老化。老化速度将取决于超级电容器的电压和温度曲线。上面的 C 和 ESR 计算应该是寿命终止值，初始 C 和 ESR 应该考虑到预期的 C 损失和 ESR 增加。