超级电容储能可以采用简单的能源计算方法吗

问题：为备用电源系统选择超级电容时，可以采用简单的能源计算方法吗？

答案：简单的电能计算方法可能达不到要求，除非您将影响超级电容整个生命周期的储能性能的所有因素都考虑进去。

简介

在电源备份或保持系统中，储能媒介可能占总物料成本（BOM）的绝大部分，且占据大部分空间。优化解决方案的关键在于仔细选择元件，以达到所需的保持时间，但又不过度设计系统。也就是说，必须计算在应用使用寿命内满足保持／备份时间要求所需的储能量，而不过度储能。

本文介绍考虑超级电容在其使用寿命期间的变化，在给定保持时间和功率下选择超级电容和备用控制器的策略。

静电双层电容（EDLC）或超级电容（supercaps）都是有效的储能设备，可以弥补更大更重的电池系统和大容量电容之间的功能差距。相比可充电电池，超级电容能够承受更快速地充放电周期。因此在电能相对较低的备用电源系统、短时充电系统、缓冲峰值负载电流系统和能量回收系统中，超级电容用于短期储能比电池更好（参考表1）。在现有的电池－超级电容混合系统中，超级电容的高电流和短时电源功能是对电池的长持续时间、紧凑储能功能的有效补充。

表1．EDLC和锂离子电池之间的比较

特性	超级电容	锂离子电池
充电／放电时间	＜1 s 至 ＞10 s	30分钟至600分钟
端电极／过度充电	—	是
充电／放电效率	85％至98％	70％至85％
生命周期	100，000＋	500＋
最低至最高电池电压（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
温度（℃）	–40°C至＋45°C＊	0°C至＋45°C充电＊
自放电速率	高	低
本质安全	高	低

＊为了保持合理的使用寿命

需注意，超级电容承受高温和高电池电压会缩短超级电容的使用寿命。必须确保电池电压不超过温度和电压额定值，在需要堆叠超级电容，或者输入电压无法获得有效调节的应用中，这些参数符合工作规格要求（参见图1）。

 

图1．过度简单的设计导致超级电容充电方案存在风险的示例

使用分立式组件很难构建出可靠又高效的解决方案。相比之下，集成式超级电容充电器／备用控制器解决方案易于使用，且一般提供以下大部分或全部功能：

?无论输入电压如何变化，都能稳定调节电池电压

?各个堆叠电池可实现电压平衡，确保无论电池之间是否失配，都在所有运行条件下提供匹配的电压

?电池电压保持低传导损耗和低压差，确保系统能从给定的超级电容获取最大电量

?浪涌限流，支持带电插入电路板

?与主机控制器通信

选择合适的集成式解决方案

ADI公司提供一系列集成式解决方案，均采用所有必需的电路，通过单个IC提供备用系统的所有基本功能。表2总结了一些ADI公司超级电容充电器的功能。

对于采用3．3 V或5 V供电轨的应用，可以考虑：

?LTC3110：2 A双向降压－升压型DC－DC稳压器和充电器／平衡器

?LTC4041：2．5 A超级电容备份电源管理器

对于采用12 V或24 V供电轨的应用，或者如果需要高于10 W的备用电源，可以考虑：

?LTC3350：大电流超级电容后备控制器和系统监视器

?LTC3351：可热插拔的超级电容充电器、后备控制器和系统监视器

如果您的系统需要使用主降压稳压器来调节3．3 V或5 V供电轨，使用内置升压转换器来备份，使用单个超级电容或其他能源进行临时备份或断电应急操作，您应该考虑：

?LTC3355：20 V、1 A降压型DC－DC系统，带集成式超级电容充电器和后备稳压器

ADI公司还提供许多其他恒流／恒压（CC／CV）解决方案，可用于为单个超级电容、电解电容、锂离子电池或NiMH电池充电。

有关其他解决方案的更多信息，请联系当地FAE或地区支持团队。

计算保持或备份时间

在设计超级电容储能解决方案时，多大才足够大？为了限定讨论分析的范围，我们将重点探讨高端消费电子产品、便携式工业设备、电能计量和军事应用中使用的经典保持／备份应用。

表2．集成式超级电容充电器解决方案的功能概览

	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
充电器（VIN →   VCAP）	2 A降压－升压	2．5 A降压	10＋ A降压控制器	10＋ A降压控制器	1 A降压
电池数量	2	1至2	1至4＊	1至4＊	1
电池平衡	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降压－升压	2．5 A升压	10＋ A升压控制器	10＋ A升压控制器	5 A升压
VOUT范围（V）	1．8至5．25	2．7至5．5	4．5至35	4．5至35	2．7至5
PowerPath	内部FET	外部 FET	外部 FET	外部 FET	单独升压
涌入电流限制	—	—	—	是	—
系统监控	—	PWR供电轨、PG	V、I、cap、ESR	V、I、cap、ESR	VIN、VOUT、VCAP
封装	24引脚TSSOP、24引脚QFN	4 mm × 5 mm，24引脚QFN	5 mm × 7 mm，38引脚QFN	5 mm × 7 mm，38引脚QFN	4 mm × 4 mm，20引脚QFN

＊可以配置用于四个以上电容

这项设计任务就相当于一位徒步旅行者确定进行一天徒步旅行需要带多少水。带少量水上山一开始肯定很轻松，但他可能过早地将水喝完，尤其是在艰难的徒步行程中。而携带一大瓶水的话，徒步旅行者需要背负额外的重量，但可以在整个旅程中可以保持充足饮水。此外，徒步旅行者还需要考虑天气状况：天热时多带水，天冷时少带水。

选择超级电容与此非常类似；保持时间和负载与环境温度一样，都非常重要。此外，还必须考虑标称电容的使用寿命退化，以及超级电容本身的ESR。一般而言，超级电容的寿命终止（EOL）参数定义为：

?额定（初始）电容降低到标称电容的70％。

?ESR达到了额定初始值的两倍。

这两个参数在以下计算中非常重要。

要确定电源组件的大小，需要先了解保持／备份负载规格。例如，在电源故障的情况下，系统可能会禁用非关键负载，以便将电能传输给关键电路，例如那些将数据从易失性存储器保存到非易失性存储器的电路。

电源故障有多种形式，但备份／保持电源通常必须支持系统在持续故障时平稳关闭，或在出现短暂的电源故障时继续运行。

这两种情况下，都必须根据备份／保持期间需要支持的负载总量，以及必须支持这些负载的时间，来确定组件大小。

保持或备份系统所需的能量：

 

电容中储存的电能：

 

根据设计常识和经验，要求电容中存储的电能必须大于保持或备份所需的电能：

 

这可以粗略估算出电容的大小，但不足于确定真正可靠的系统所需的大小。必须确定关键细节，比如造成电能损失的各种原因，这些最终可能导致需要更大的电容。电能损失分为两类：因DC－DC转换器效率导致的损失，以及电容本身导致的损失。

如果在保持或备份期间，由超级电容为负载供电，还必须知道DC－DC转换器的效率。效率取决于占空比（线路和负载）条件，可以从控制器数据手册获取。表2中器件的峰值效率为85％到95％，在保持或备份期间随负载电流和占空比不同而变化。

超级电容电能损失量相当于我们无法从超级电容中提取的电能量。这种损耗由DC－DC转换器的最小输入工作电压决定，取决于DC－DC转换器的拓扑，称为压差。这是在比较集成式解决方案时需要考虑的一个重要参数。

采用前面的电容电能计算方法，减去低于V_Dropout时无法获取的电能，可以得到：

 

那么，V_Capacitor呢？很显然，将V_Capacitor设置为接近其最大额定值会增加存储的电能，但这种策略存在严重的缺陷。通常，超级电容的绝对最大额定电压为2．7 V，但典型值为2．5 V或低于2．5 V。这是考虑到应用的使用寿命，以及额定的工作环境温度（参见图2）。在较高的环境温度下使用较高的V_Capacitor，会降低超级电容的使用寿命。对于需要很长的使用寿命或在相对较高的环境温度下运行的稳健应用，建议使用较低的V_Capacitor。各超级电容供应商通常根据嵌位电压和温度来提供估计使用寿命的特性曲线。

 

图2．使用寿命与嵌位电压的关系图（以温度作为关键参数）

审核编辑：符乾江