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超级电容器:备用电源解决方案

  其他  candytang 2017-06-1349700
需要瞬时备用电源的应用的增多促使对超级电容器的需求增加。超级电容器(supercapacitor,也称为ultracapacitor),是具有比常规电容器存储更多能量的能力的电化学电容器。超级电容器可以比电池更快的充电和提供能量。图1比较了常规电容器、超级电容器、常规电池和燃料电池的功率和能量密度。
图1:不同能量存储设备的能量与功率密度

超级电容器的显着优点是其在老化之前可以循环数千次,而电池则只能循环数百次。此外,与图2所示的电池相比,超级电容器具有深度放电的能力。然而,由于电解质的分解电压,大多数超级电容器的最大额定值为2.7V-3V。图2比较了超级电容器和电池的充电/放电曲线。

 
图 2:超级电容器和电池的充电/放电循环

 

超级电容器的最新发展已经引入可充电至较高电压(高达4V)的锂离子混合电容器,该电容器自放电较少,因此具有较高的能量密度。这些超级电容器的缺点是不能放电到低于约2.2V,否则将被损坏。

超级电容器的组成使得它们的自放电率明显高于电池。超级电容器的工作温度越高,充电的电压越高,老化越快;超级电容器的电容会减小,等效串联电阻(ESR)增加。这意味着超级电容器可以为应用提供的能量减少。超级电容器的能量可以用公式1表示:

 (1)

W是超级电容器提供的能量,C是超级电容器的电容,V是超级电容器的电压。电容器的ESR增加了系统的功率损耗。

图3显示了温度和电压对超级电容器老化的影响。温度仅仅增加10°可以将超级电容器的寿命减少一半。此外,通常的做法是将超级电容器充电至低于标称电压的电压,以增加其寿命。

图3:超级电容器不同温度下的使用寿命与电容器电压

由于超级电容器充电的最大电压在2.7V和3V之间,因此,对于大多数应用来说有必要串联连接几个超级电容器。因此,必须平衡超级电容器;否则一个单元可能比另一个单元更多地充电,导致不相等的电容器老化,降低电容器组为应用提供所需能量的能力。

平衡超级电容器采用的方法包括:使用电阻器串的无源平衡,使用开关电阻器,使用齐纳二极管和有源平衡。前三种方法会导致电阻器中的功率损耗,第四种方法是最有效的,但也是最贵的。

当超级电容器用于备用电源应用时,必须监控其电容和ESR,以确保能够提供应用所需的最低能量。TI的bq33100是超级电容管理器,可以跟踪超级电容器组的电容和ESR;还可以监测其他重要数据,如温度、电压、电流和安全情况。bq33100可以通知主机电容器组是否较弱,并进行平衡。bq24640是一款高效开关模式超级电容充电器,能够将电容器组从2.1V充电至26V。.

TI的超级电容器管理器参考设计 (TIDA-00258)是用于评估和监控超级电容器的系统解决方案。它集成了线性充电器参考设计和bq33100超级电容管理器。下次为设计评估备用电源时,可以考虑一下超级电容器!
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