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 5 部分

在本案例研究中，我们将使用案例 1 中使用的相同太阳能电池，但在阳光明媚的日子使用户外照明。这将用于支持每 ½ 小时持续 2 秒的 SMS。SMS 突发使用 10 类 GPRS 传输，在 25% 占空比下具有 2A 1.1ms 脉冲。此应用中的最大最小电压为 3.8V – 3.0V，超级电容器应支持 12 小时无光传输。CAP-XX 最近发布了从 1 到 400F 的具有成本效益的圆柱形电池系列，适用于需要更高 C 但不受工业设计限制为薄棱柱形尺寸的应用。

在 83,000 勒克斯的阳光下，太阳能电池在 1.26V、49mA 时提供 62mW 的峰值功率。为这种情况选择的LTC3105在该应用中的效率约为 80%，因此超级电容器充电电流 = 49mA × 1.26V/3.8V × 80% = 13mA。

本应用中的平均负载电流 = 2A × 25% × 2s/1800s = 0.56mA。

这意味着在白天，应用程序是自我维持的，平均电流 < 平均超级电容器充电电流。即使在阴天，充电电流 » 4mA，因此应用是可持续的。

在此应用中确定超级电容器的尺寸需要在 C 和 ESR、漏电流和自放电之间进行迭代。由于负载为大电流且工作电压高达 3.8V，因此选择了双节超级电容器。它可以直接提供峰值2A负载电流。

为了支持 12 小时无光照的应用，C > 0.56mA × 12 × 3600s/(3.8V-3.0V) = 30.2 o F (3)。

选择一对串联的 GY12R718060M107R 100F 电池。它们的 ESR 为 15mΩ，因此串联的 2 节电池为 30mΩ。由于 2A 脉冲 × 30mΩ = 60mV 引起的电压降，因此等式 (3) 中的分母应为 (3.8V – 3.06V)，这会将所需的 C 略微增加至 > 32.7 o F，因此所选的超级电容器仍然满足要求。

串联 100F 电池的漏电流，由于有 2 节电池串联，它们需要一个平衡电路来确保它们的电压均匀分布。最简单的电路是一对电阻器，但这会消耗过多的电流并在 12 小时的黑暗期间使超级电容器放电，因此我们使用了稍后描述的主动平衡电路，它仅消耗约 3µA。

此漏电流 » 130µA << 超级电容器充电电流在阳光下为 13mA 或阴天时为 4mA。由于超级电容器必须在不充电的情况下支持长时间的应用，因此我们必须考虑其自放电特性，我们将其延长至 70 小时。超过 12 小时，超级电容器模块从 3.797V 放电至 3.776V 或 21mV，超过 70 小时放电至 3.693V 或 104mV。

一个常见的错误是将自放电建模为在泄漏电流处的恒流放电，或者将泄漏电流建模为与超级电容器并联的电阻，在这种情况下为 3.8V/130µA = 29.2KΩ，并将自放电建模为 V = Vinit.e (-t/RC) ，在这种情况下，R = 29.2KΩ 和 C = 50 o F。我们证明这两个模型显着高估了自放电。自放电是一种扩散过程，离子从碳电极的孔中迁移出来。扩散与 sqrt(时间)成正比。给出了我们根据经验确定的 50 o F 模块自放电的估计值. 如果超级电容器自放电在您的应用中很重要，我们建议您使用零件样本凭经验确定这一点。自放电也与温度有关。

超级电容器 C 现在必须满足 C > 0.56mA x 12 x 3600/(3.8V-3.0V – 0.06V – 0.021V)，其中 0.06V 是 I LOAD x ESR 压降，0.021V = 自放电损耗。Min C 现在必须 > 33.6 o F。

该电路采用有源平衡电路，以最大限度地减少泄漏电流和自放电。IC2 是一个电压跟随器，参考电压通过 R3 和 R5 设置为超级电容器端子的中点。MAX4470仅消耗 750nA 的静态电流，可提供 11mA 的输出电流。当系统处于平衡状态时，它只会消耗 3.8V/2MΩ + 750nA + 两个电池之间的漏电流差，通常总共只有几 µA。

显示了超级电容器在阳光下从 0V 充电。当 LTC3105 处于冷启动区域时，太阳能电池向超级电容器提供约 13mA 的充电电流，然后在充电 IC 开始充当升压器时增加到超过 20mA，并在超级电容器达到 3.8V 时逐渐减小到 13mA。

即使超级电容器是华氏 50 度，阳光下的小型太阳能电池也能在 3.5 小时内为它充电。

显示了支持每 ½ 小时 2 秒 GPRS 突发的超级电容器模块。插图详细显示了 GPRS 脉冲序列，每 4.6ms 有 1.15ms 2A 脉冲。图 18中需要注意的点 是：

· GPRS 突发发生时 Vcap 中可识别的非常小的电压骤降

· LTC3105 如何在脉冲突发后从太阳能电池汲取更多电流以对超级电容器充电

· 当超级电容器完全充电时，LTC3105 关闭并且太阳能电池电流 Isolar = 0。由于超级电容器在脉冲突发之间的 ½ 小时内缓慢放电，因此 LTC3105 迟滞功能会打开充电器，直到超级电容器再次充满电。

显示了 50F 模块支持 12 小时内每 ½ 小时一次的 GPRS 突发。Vsupercap 在 12 小时结束时结束 3V，因此满足要求，但没有余量。这个最终电压比预期的要低一点。理论预测 50 o F、30mOhm 模块的最终电压 = 3.8V – (0.56mA (平均负载电流) × 12 × 3600s/50 o F + 2A (峰值电流).30mΩ (ESR) + 21mV (自放电) ) = 3.23V

本案例研究展示了如何使用具有低功率太阳能电池能源的大型超级电容器来支持高功率应用，即使在没有光照的情况下也是如此。在此应用中，与电池相比，超级电容器具有以下优势：物理电荷存储，因此“无限”循环寿命，低 ESR 能够为冬季户外应用提供高功率和出色的低温性能。所示的实验结果，需要进一步的工作来确定放电超出预期的原因，并可能使用更大的电池。

回顾

本文回顾了：1) 如何为您的应用表征太阳能电池，2) 超级电容器的特性使其成为理想的功率缓冲器，使低功率太阳能电池能够支持具有高功率突发和平均功率 < 充电的应用太阳能电池提供的功率，3) 如何确定所需的超级电容器尺寸，同时考虑负载使用的能量和峰值电流，4) 超级电容器充电电路所需的特性，5) 选择充电 IC 的标准和6) 两个案例研究证明了这些原则。