能量收集设计中如何选择超级电容器

低功耗微控制器在提高能量收集系统的使用寿命方面做了很多工作。巧妙的架构和低功耗模式的使用使微观电流能够在保留寄存器和配置数据的同时吸收纳安级电流。这使得设计人员可以使用过去不可行的更小，更低密度的能量存储解决方案。

尽管如此，在大多数情况下仍然需要能量存储作为环境能量收集系统中的关键角色，作为电源缓冲器来存储足够的能量以提供获取和传输数据所需的功率突发在高峰需求期间，特别是如果数据将通过无线网络传输。这些能量存储装置通常采用电池或超级电容器（超级电容器）的形式。

超级电容器弥补了传统电容器和可充电电池之间的差距，提供了非常适合能量收集环境的性能特性。超级电容器的电容值可达传统电解电容器的10,000倍。此外，虽然过去的超级电容器只能提供化学电池能量存储密度的10％左右，但新的超级电容器化学和结构正在产生更高密度的能源，可以相对快速地充电。

本文介绍了设计能量收集解决方案的工程师可以使用的超级电容选项，特别注意绝缘和密封设计，这些设计必须能够承受极端环境，或者与可充电电池技术不同，不能替代。

基本要点

超级电容器的核心元件是极化电极使用电解质作为导电介质。这与使用电解质作为阴极端子的电解电容不同。

超级电容器可以像其他电容器或堆一样缠绕或堆叠（图1左右）。每个电极，电解质，电极夹层实质上是电双层电容器（EDLC）。与任何电容器或电池一样，容量与电极和电解质的表面积以及板之间的间距成正比。并联更多的表面积会增加电流并使它们串联增加电压。

图1：基于绕线或板的结构可使ELDC层最大化表面面积最小的区域。

即使在数千次充电/放电循环后，即使在数千次充电/放电循环后性能很小或没有降低的很长寿命的承诺是推动该技术发展的主要因素。超级电容器的有机聚合物和电解质满足了许多环境问题，因为锂离子电池中的毒素可以完全减少或消除。因此，整个系统可以密封和加固，以抵御极端环境。不需要检修面板或可更换电池座。

但是，有些设备只需要大量电力，而电池技术可能是唯一的选择。立即想到带有背光的显示器，但无线和RF收发器也可以吸收大量的突发型电流，具体取决于系统发现和数据模式的要求。也可以将音频应用程序投入到这种混合中。

对于某些应用程序，组合方法可能是最好的。当放置在可充电电池上时，超级电池可以保护电池免于快速充电和放电，并且可以使用更多的电池能量。结果是需要更少的电池，改善了寿命和安全性，并且减少了维护。事实上，如果与可靠的能量收集解决方案协调良好，电池可能永远不会受到压力，并且密封设计可以在额定电池的保质期内存活。

当超级电容器用作预充电储能器，将其视为能够以能量收集器提供的最快速度填充的储罐（图2）。然后，充电控制器可以提供精确数量的充电能量，其终端特性可优化给定类型电池的能量传输。

图2：A切换充电控制器使能量收集系统能够快速捕获所有可用能量，同时最大限度地损失超级电容，同时将带电超级电容的能量输送到充电控制器。注意：充电控制器功能可以通过睡眠微控制器进行，如果它具有可以在达到阈值时唤醒微控制器的比较器。

相反，当需要快速突发高输出电流时，例如当Wi-Fi发射器启动时，能量可能来自预充电的超级电容（图3）。较低的内部电阻使其能够比电池更有效地提供高突发的窄电流，电池可能没有足够低的内阻在这里有用。

图3：需要高电流突发的负载可以使用带有低RDS（ON）FET的超级电容。请注意充电部分的电流限制，以防止在使用低电量电源（例如电池电量不足）过快地对超级电容器充电时可能发生的电压过低。

一些样本部分

对于需要少量电荷存储但需要考虑空间的应用，建议使用低容量，低成本的超级电容，如Panasonic的EC-RG0V105V。这种基于EDLC的1-F焊针部件类似于纽扣电池和支架的组合，工作电压高达3.6 V，非常适合3.3 V低能耗微设计（图4）。

图4：类似于纽扣电池座的超级电容器可以取代旧电池，用于现代低功耗设计。这里的优点是它们可以密封和涂层，因为它们永远不需要更换。

类似的20Ω零件来自Cornell Dubilier及其EDLRG105H3R6C。这种EDLR型双电层超级电容器在通孔堆叠硬币型封装中提供高电容值。这些部件主要用于集成电路电压备份，也可用于从电池提供初始电源。它们的优势在于它们可以密封和涂层，因为它们永远不需要更换。

这些超级电容器与可靠有效的能量收集技术（如无线充电）结合使用时可以做得很好。在大多数情况下，交流电源可用于为无线充电器回路供电，从而使电路（非常接近）保持活动状态。超级电容器就像一个整流滤波器，提供充电输出，但在AC无法使用时可以接管一段时间。

对于5 V系统，5-F Eaton PHV-5R4H505-R也是值得仔细看看。类似于晶体（图5），该器件是该公司PowerStor PHV系列的一员，具有非常低的等效串联电阻（ESR为70mΩ），非常适合短时间提供突发电流。

图5：基于平行板和椭圆形缠绕的超级电容器类似于旧式晶体，可以在现代制造工艺中轻松处理。

在较低电压下，更容易获得更高的电容值。因此，1.8和2.2 V系统等低压设计可以利用Maxwell Technologies 2.7 V，50 F BCAP0050 P270 T01等部件，其ESR仅为20mΩ。 Maxwell提供有关该公司HC系列零件的产品培训模块，可在Digi-Key网站上找到。

其他制造商也参与其中。例如，伊顿2.7 V 100 F HV1860-2R7107-R更像一个小型圆柱形电池而不是纽扣电池。该器件具有超低的12mΩESR。

更高的电压

到目前为止，我们讨论的超级电容都是针对嵌入式系统的处理器和逻辑电压。然而，还有另一个重要的领域，即超级电容器可以发光并且电压更高。一个很好的例子是165 F 48 V Maxwell Technologies BMOD0165 P048 B01“Ultracapacitor。”与高端电池类似，这些几乎即时充电，极低ESR（6.3mΩ）模块直接针对电信，汽车， UPS以及否则会使用电池的工业应用（图6）。还提供75 V 94 F版BMOD0094 P075 B02。 Maxwell在Digi-Key的网站上为其48 V和75 V超级电容器（后者常用于风力发电机变桨系统）提供产品培训模块。

图6 ：48和75 V Maxwell Technologies超级电容器的封装类似 - 并直接针对 - 工业，电信和其他应用的电池。

Nichicon提供其双电层EVerCAP（EDLC）超级电容器系列，它结合了铝电解电容器和电池的特性，以提供速度和灵活性。这些适用于太阳能和风力发电机应用。让我们考虑一下例如4,000 F Nichicon JJD0E408MSEG。这款径向式超级电容器额定电压为2.5 V，采用螺丝端子，可保持极低的2.2mΩESR和极高的浪涌电流。它包括Digi-Key网站上的Nichicon JUM系列。

下一步是什么？

展望未来，正在开发技术以制造超高能量密度的超级电容器，因此我们期望看到更小尺寸的低成本，高容量部件。石墨烯电极是提高能量和功率密度的最有前景的方法之一 - 理论上是锂离子电池水平以及更高水平。事实上，使用石墨烯在超级电容器和电池中实现非常高的能量密度已经被描述为“变革性”技术。

最近，加州大学洛杉矶分校的研究生在科学杂志上报道他们已经展示了DVD激光器生产的石墨烯超级电容器，每克可存储多达276 F.同样的研究人员在Nature Communications上发表了另一篇论文，描述了一种利用DVD刻录机技术生产所谓的“超级超级电容器”来为传感器和其他小型电子设备供电的方法。理论上限为每克550 F，可以合理地预计到目前为止，超级电容器的前期成本和能量密度将变得更具竞争力，开辟了许多新的应用。