在黑暗時期使用更大的超級電容器支持太陽能電池應用

　　在本案例研究中，我們將使用案例 1 中使用的相同太陽能電池，但在陽光明媚的日子使用戶外照明。這將用于支持每 ?小時持續 2 秒的 SMS。SMS 突發使用 10 類 GPRS 傳輸，在 25% 占空比下具有 2A 1.1ms 脈沖。此應用中的最大最小電壓為 3.8V – 3.0V，超級電容器應支持 12 小時無光傳輸。CAP-XX 最近發布了從 1 到 400F 的具有成本效益的圓柱形電池系列，適用于需要更高 C 但不受工業設計限制為薄棱柱形尺寸的應用。

　　在 83,000 勒克斯的陽光下，太陽能電池在 1.26V、49mA 時提供 62mW 的峰值功率。為這種情況選擇的LTC3105在該應用中的效率約為 80%，因此超級電容器充電電流 = 49mA × 1.26V/3.8V × 80% = 13mA。

　　本應用中的平均負載電流 = 2A × 25% × 2s/1800s = 0.56mA。

　　這意味著在白天，應用程序是自我維持的，平均電流 < 平均超級電容器充電電流。即使在陰天，充電電流 ? 4mA，因此應用是可持續的。

　　在此應用中確定超級電容器的尺寸需要在 C 和 ESR、漏電流和自放電之間進行迭代。由于負載為大電流且工作電壓高達 3.8V，因此選擇了雙節超級電容器。它可以直接提供峰值2A負載電流。

　　為了支持 12 小時無光照的應用，C > 0.56mA × 12 × 3600s/（3.8V-3.0V） = 30.2 o F （3）。

　　選擇一對串聯的 GY12R718060M107R 100F 電池。它們的 ESR 為 15mΩ，因此串聯的 2 節電池為 30mΩ。由于 2A 脈沖 × 30mΩ = 60mV 引起的電壓降，因此等式 （3） 中的分母應為 （3.8V – 3.06V），這會將所需的 C 略微增加至 > 32.7 o F，因此所選的超級電容器仍然滿足要求。

　　串聯 100F 電池的漏電流，由于有 2 節電池串聯，它們需要一個平衡電路來確保它們的電壓均勻分布。最簡單的電路是一對電阻器，但這會消耗過多的電流并在 12 小時的黑暗期間使超級電容器放電，因此我們使用了稍后描述的主動平衡電路，它僅消耗約 3μA。

　　此漏電流  ?130μA 《 超級電容器充電電流在陽光下為 13mA 或陰天時為 4mA。由于超級電容器必須在不充電的情況下支持長時間的應用，因此我們必須考慮其自放電特性，我們將其延長至 70 小時。超過 12 小時，超級電容器模塊從 3.797V 放電至 3.776V 或 21mV，超過 70 小時放電至 3.693V 或 104mV。

　　一個常見的錯誤是將自放電建模為在泄漏電流處的恒流放電，或者將泄漏電流建模為與超級電容器并聯的電阻，在這種情況下為 3.8V/130?A = 29.2KΩ，并將自放電建模為 V = Vinit.e （-t/RC） ，在這種情況下，R = 29.2KΩ 和 C = 50 o F。我們證明這兩個模型顯著高估了自放電。自放電是一種擴散過程，離子從碳電極的孔中遷移出來。擴散與 sqrt（時間）成正比。給出了我們根據經驗確定的 50 o F 模塊自放電的估計值。 如果超級電容器自放電在您的應用中很重要，我們建議您使用零件樣本憑經驗確定這一點。自放電也與溫度有關。

　　超級電容器 C 現在必須滿足 C > 0.56mA x 12 x 3600/（3.8V-3.0V – 0.06V – 0.021V），其中 0.06V 是 I LOAD x ESR 壓降，0.021V = 自放電損耗。Min C 現在必須 > 33.6 o F。

　　該電路采用有源平衡電路，以最大限度地減少泄漏電流和自放電。IC2 是一個電壓跟隨器，參考電壓通過 R3 和 R5 設置為超級電容器端子的中點。MAX4470僅消耗 750nA 的靜態電流，可提供 11mA 的輸出電流。當系統處于平衡狀態時，它只會消耗 3.8V/2MΩ + 750nA + 兩個電池之間的漏電流差，通常總共只有幾 ?A。

　　顯示了超級電容器在陽光下從 0V 充電。當 LTC3105 處于冷啟動區域時，太陽能電池向超級電容器提供約 13mA 的充電電流，然后在充電 IC 開始充當升壓器時增加到超過 20mA，并在超級電容器達到 3.8V 時逐漸減小到 13mA。

　　即使超級電容器是華氏 50 度，陽光下的小型太陽能電池也能在 3.5 小時內為它充電。

　　顯示了支持每? 小時 2 秒 GPRS 突發的超級電容器模塊。插圖詳細顯示了 GPRS 脈沖序列，每 4.6ms 有 1.15ms 2A 脈沖。圖 18中需要注意的點 是：

　　· GPRS 突發發生時 Vcap 中可識別的非常小的電壓驟降

　　· LTC3105 如何在脈沖突發后從太陽能電池汲取更多電流以對超級電容器充電

　　· 當超級電容器完全充電時，LTC3105 關閉并且太陽能電池電流 Isolar = 0。由于超級電容器在脈沖突發之間的 ? 小時內緩慢放電，因此 LTC3105 遲滯功能會打開充電器，直到超級電容器再次充滿電。

　　顯示了 50F 模塊支持 12 小時內每 ? 小時一次的 GPRS 突發。Vsupercap 在 12 小時結束時結束 3V，因此滿足要求，但沒有余量。這個最終電壓比預期的要低一點。理論預測 50 o F、30mOhm 模塊的最終電壓 = 3.8V – （0.56mA （平均負載電流） × 12 × 3600s/50 o F + 2A （峰值電流）。30mΩ （ESR） + 21mV （自放電） ） = 3.23V

　　本案例研究展示了如何使用具有低功率太陽能電池能源的大型超級電容器來支持高功率應用，即使在沒有光照的情況下也是如此。在此應用中，與電池相比，超級電容器具有以下優勢：物理電荷存儲，因此“無限”循環壽命，低 ESR 能夠為冬季戶外應用提供高功率和出色的低溫性能。所示的實驗結果，需要進一步的工作來確定放電超出預期的原因，并可能使用更大的電池。

　　回顧

　　本文回顧了：1） 如何為您的應用表征太陽能電池，2） 超級電容器的特性使其成為理想的功率緩沖器，使低功率太陽能電池能夠支持具有高功率突發和平均功率 < 充電的應用太陽能電池提供的功率，3） 如何確定所需的超級電容器尺寸，同時考慮負載使用的能量和峰值電流，4） 超級電容器充電電路所需的特性，5） 選擇充電 IC 的標準和6） 兩個案例研究證明了這些原則。