超級(jí)電容器:備用電源解決方案
發(fā)布時(shí)間:2021-02-08 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】需要瞬時(shí)備用電源的應(yīng)用的增多促使對(duì)超級(jí)電容器的需求增加。超級(jí)電容器(supercapacitor,也稱為ultracapacitor),是具有比常規(guī)電容器存儲(chǔ)更多能量的能力的電化學(xué)電容器。超級(jí)電容器可以比電池更快的充電和提供能量。圖1比較了常規(guī)電容器、超級(jí)電容器、常規(guī)電池和燃料電池的功率和能量密度。
圖1:不同能量存儲(chǔ)設(shè)備的能量與功率密度
超級(jí)電容器的顯著優(yōu)點(diǎn)是其在老化之前可以循環(huán)數(shù)千次,而電池則只能循環(huán)數(shù)百次。此外,與圖2所示的電池相比,超級(jí)電容器具有深度放電的能力。然而,由于電解質(zhì)的分解電壓,大多數(shù)超級(jí)電容器的最大額定值為2.7V-3V。圖2比較了超級(jí)電容器和電池的充電/放電曲線。
圖 2:超級(jí)電容器和電池的充電/放電循環(huán)
超級(jí)電容器的最新發(fā)展已經(jīng)引入可充電至較高電壓(高達(dá)4V)的鋰離子混合電容器,該電容器自放電較少,因此具有較高的能量密度。這些超級(jí)電容器的缺點(diǎn)是不能放電到低于約2.2V,否則將被損壞。
超級(jí)電容器的組成使得它們的自放電率明顯高于電池。超級(jí)電容器的工作溫度越高,充電的電壓越高,老化越快;超級(jí)電容器的電容會(huì)減小,等效串聯(lián)電阻(ESR)增加。這意味著超級(jí)電容器可以為應(yīng)用提供的能量減少。超級(jí)電容器的能量可以用公式1表示:
(1)
W是超級(jí)電容器提供的能量,C是超級(jí)電容器的電容,V是超級(jí)電容器的電壓。電容器的ESR增加了系統(tǒng)的功率損耗。
圖3顯示了溫度和電壓對(duì)超級(jí)電容器老化的影響。溫度僅僅增加10°可以將超級(jí)電容器的壽命減少一半。此外,通常的做法是將超級(jí)電容器充電至低于標(biāo)稱電壓的電壓,以增加其壽命。
圖3:超級(jí)電容器不同溫度下的使用壽命與電容器電壓
由于超級(jí)電容器充電的最大電壓在2.7V和3V之間,因此,對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說有必要串聯(lián)連接幾個(gè)超級(jí)電容器。因此,必須平衡超級(jí)電容器;否則一個(gè)單元可能比另一個(gè)單元更多地充電,導(dǎo)致不相等的電容器老化,降低電容器組為應(yīng)用提供所需能量的能力。
平衡超級(jí)電容器采用的方法包括:使用電阻器串的無源平衡,使用開關(guān)電阻器,使用齊納二極管和有源平衡。前三種方法會(huì)導(dǎo)致電阻器中的功率損耗,第四種方法是最有效的,但也是最貴的。
當(dāng)超級(jí)電容器用于備用電源應(yīng)用時(shí),必須監(jiān)控其電容和ESR,以確保能夠提供應(yīng)用所需的最低能量。TI的bq33100是超級(jí)電容管理器,可以跟蹤超級(jí)電容器組的電容和ESR;還可以監(jiān)測(cè)其他重要數(shù)據(jù),如溫度、電壓、電流和安全情況。bq33100可以通知主機(jī)電容器組是否較弱,并進(jìn)行平衡。bq24640是一款高效開關(guān)模式超級(jí)電容充電器,能夠?qū)㈦娙萜鹘M從2.1V充電至26V。.
TI的超級(jí)電容器管理器參考設(shè)計(jì) (TIDA-00258)是用于評(píng)估和監(jiān)控超級(jí)電容器的系統(tǒng)解決方案。它集成了線性充電器參考設(shè)計(jì)和bq33100超級(jí)電容管理器。下次為設(shè)計(jì)評(píng)估備用電源時(shí),可以考慮一下超級(jí)電容器!
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