使用超級電容儲能:多大才足夠大?

問題：為備用電源系統選擇超級電容時，可以採用簡單的能源計算方法嗎？

答案：簡單的電能計算方法可能達不到要求，除非您將影響超級電容整個生命周期的儲能性能的所有因素都考慮進去。

簡介

在電源備份或保持系統中，儲能媒介可能佔總物料成本（BOM）的絕大部分，且佔據大部分空間。優化解決方案的關鍵在於仔細選擇元件，以達到所需的保持時間，但又不過度設計系統。也就是說，必須計算在應用使用壽命內滿足保持／備份時間要求所需的儲能量，而不過度儲能。

本文介紹考慮超級電容在其使用壽命期間的變化，在給定保持時間和功率下選擇超級電容和備用控制器的策略。

靜電雙層電容（EDLC）或超級電容（supercaps）都是有效的儲能設備，可以彌補更大更重的電池系統和大容量電容之間的功能差距。相比可充電電池，超級電容能夠承受更快速地充放電周期。因此在電能相對較低的備用電源系統、短時充電系統、緩衝峰值負載電流系統和能量回收系統中，超級電容用於短期儲能比電池更好（參考表1）。在現有的電池－超級電容混合系統中，超級電容的高電流和短時電源功能是對電池的長持續時間、緊湊儲能功能的有效補充。

表1．EDLC和鋰離子電池之間的比較

特性	超級電容	鋰離子電池
充電／放電時間	＜1 s 至 ＞10 s	30分鐘至600分鐘
端電極／過度充電	—	是
充電／放電效率	85％至98％	70％至85％
生命周期	100，000＋	500＋
最低至最高電池電壓（V）	0至2．3＊	3至4．2
比能量（Wh／kg）	1至5	100至240
比功率（W／kg）	10，000＋	1000至3000
溫度（℃）	–40°C至＋45°C＊	0°C至＋45°C充電＊
自放電速率	高	低
本質安全	高	低

＊為了保持合理的使用壽命

需注意，超級電容承受高溫和高電池電壓會縮短超級電容的使用壽命。必須確保電池電壓不超過溫度和電壓額定值，在需要堆疊超級電容，或者輸入電壓無法獲得有效調節的應用中，這些參數符合工作規格要求（參見圖1）。

圖1．過度簡單的設計導致超級電容充電方案存在風險的示例

使用分立式組件很難構建出可靠又高效的解決方案。相比之下，集成式超級電容充電器／備用控制器解決方案易於使用，且一般提供以下大部分或全部功能：

?無論輸入電壓如何變化，都能穩定調節電池電壓

?各個堆疊電池可實現電壓平衡，確保無論電池之間是否失配，都在所有運行條件下提供匹配的電壓

?電池電壓保持低傳導損耗和低壓差，確保系統能從給定的超級電容獲取最大電量

?浪湧限流，支持帶電插入電路板

?與主機控制器通信

選擇合適的集成式解決方案

ADI公司提供一系列集成式解決方案，均採用所有必需的電路，通過單個IC提供備用系統的所有基本功能。表2總結了一些ADI公司超級電容充電器的功能。

對於採用3．3 V或5 V供電軌的應用，可以考慮：

?LTC3110：2 A雙向降壓－升壓型DC－DC穩壓器和充電器／平衡器

?LTC4041：2．5 A超級電容備份電源管理器

對於採用12 V或24 V供電軌的應用，或者如果需要高於10 W的備用電源，可以考慮：

?LTC3350：大電流超級電容後備控制器和系統監視器

?LTC3351：可熱插拔的超級電容充電器、後備控制器和系統監視器

如果您的系統需要使用主降壓穩壓器來調節3．3 V或5 V供電軌，使用內置升壓轉換器來備份，使用單個超級電容或其他能源進行臨時備份或斷電應急操作，您應該考慮：

?LTC3355：20 V、1 A降壓型DC－DC系統，帶集成式超級電容充電器和後備穩壓器

ADI公司還提供許多其他恆流／恆壓（CC／CV）解決方案，可用於為單個超級電容、電解電容、鋰離子電池或NiMH電池充電。

有關其他解決方案的更多信息，請聯繫當地FAE或地區支持團隊。

計算保持或備份時間

在設計超級電容儲能解決方案時，多大才足夠大？為了限定討論分析的範圍，我們將重點探討高端消費電子產品、可攜式工業設備、電能計量和軍事應用中使用的經典保持／備份應用。

表2．集成式超級電容充電器解決方案的功能概覽

	LTC3110	LTC4041	LTC3350	LTC3351	LTC3355
VIN （V）	1．8至5．25	2．9至5．5 （60 V OVP）	4．5至35	4．5至35	3至20
充電器（VIN →   VCAP）	2 A降壓－升壓	2．5 A降壓	10＋ A降壓控制器	10＋ A降壓控制器	1 A降壓
電池數量	2	1至2	1至4＊	1至4＊	1
電池平衡	是	是	是	是	—
VCAP （V）	0．1至5．5	0．8至5．4	1．2至20	1．2至20	0．5至5
DC－DC（VCAP → VOUT）	2 A降壓－升壓	2．5 A升壓	10＋ A升壓控制器	10＋ A升壓控制器	5 A升壓
VOUT範圍（V）	1．8至5．25	2．7至5．5	4．5至35	4．5至35	2．7至5
PowerPath	內部FET	外部 FET	外部 FET	外部 FET	單獨升壓
湧入電流限制	—	—	—	是	—
系統監控	—	PWR供電軌、PG	V、I、cap、ESR	V、I、cap、ESR	VIN、VOUT、VCAP
封裝	24引腳TSSOP、24引腳QFN	4 mm × 5 mm，24引腳QFN	5 mm × 7 mm，38引腳QFN	5 mm × 7 mm，38引腳QFN	4 mm × 4 mm，20引腳QFN

＊可以配置用於四個以上電容

這項設計任務就相當於一位徒步旅行者確定進行一天徒步旅行需要帶多少水。帶少量水上山一開始肯定很輕鬆，但他可能過早地將水喝完，尤其是在艱難的徒步行程中。而攜帶一大瓶水的話，徒步旅行者需要背負額外的重量，但可以在整個旅程中可以保持充足飲水。此外，徒步旅行者還需要考慮天氣狀況：天熱時多帶水，天冷時少帶水。

選擇超級電容與此非常類似；保持時間和負載與環境溫度一樣，都非常重要。此外，還必須考慮標稱電容的使用壽命退化，以及超級電容本身的ESR。一般而言，超級電容的壽命終止（EOL）參數定義為：

?額定（初始）電容降低到標稱電容的70％。

?ESR達到了額定初始值的兩倍。

這兩個參數在以下計算中非常重要。

要確定電源組件的大小，需要先了解保持／備份負載規格。例如，在電源故障的情況下，系統可能會禁用非關鍵負載，以便將電能傳輸給關鍵電路，例如那些將數據從易失性存儲器保存到非易失性存儲器的電路。

電源故障有多種形式，但備份／保持電源通常必須支持系統在持續故障時平穩關閉，或在出現短暫的電源故障時繼續運行。

這兩種情況下，都必須根據備份／保持期間需要支持的負載總量，以及必須支持這些負載的時間，來確定組件大小。

保持或備份系統所需的能量：

電容中儲存的電能：

根據設計常識和經驗，要求電容中存儲的電能必須大於保持或備份所需的電能：

這可以粗略估算出電容的大小，但不足於確定真正可靠的系統所需的大小。必須確定關鍵細節，比如造成電能損失的各種原因，這些最終可能導致需要更大的電容。電能損失分為兩類：因DC－DC轉換器效率導致的損失，以及電容本身導致的損失。

如果在保持或備份期間，由超級電容為負載供電，還必須知道DC－DC轉換器的效率。效率取決於佔空比（線路和負載）條件，可以從控制器數據手冊獲取。表2中器件的峰值效率為85％到95％，在保持或備份期間隨負載電流和佔空比不同而變化。

超級電容電能損失量相當於我們無法從超級電容中提取的電能量。這種損耗由DC－DC轉換器的最小輸入工作電壓決定，取決於DC－DC轉換器的拓撲，稱為壓差。這是在比較集成式解決方案時需要考慮的一個重要參數。

採用前面的電容電能計算方法，減去低於V_Dropout時無法獲取的電能，可以得到：

那麼，V_Capacitor呢？很顯然，將V_Capacitor設置為接近其最大額定值會增加存儲的電能，但這種策略存在嚴重的缺陷。通常，超級電容的絕對最大額定電壓為2．7 V，但典型值為2．5 V或低於2．5 V。這是考慮到應用的使用壽命，以及額定的工作環境溫度（參見圖2）。在較高的環境溫度下使用較高的V_Capacitor，會降低超級電容的使用壽命。對於需要很長的使用壽命或在相對較高的環境溫度下運行的穩健應用，建議使用較低的V_Capacitor。各超級電容供應商通常根據嵌位電壓和溫度來提供估計使用壽命的特性曲線。

圖2．使用壽命與嵌位電壓的關係圖（以溫度作為關鍵參數）