与大多数电子元件一样

 电容器作用     |      2019-02-02 06:30

  能量收集 - 当源不稳定且不可预测时,可能更准确地称为“能量清除” - 是一种越来越可行的电路供电方式,无需提供外部电源或定期更换电池。这种实用性归因于多种因素:更好的能量存储元件,改进的组件以及可以操作和执行有用功能的电路,例如仅使用微安和毫瓦功率无线记录和报告数据。

  能量收集系统由四个主要功能组成:能源(传感器),能量存储元件,启动,收获,运行模式(通常重叠)的整体管理控制器;和负载本身(图1)。我们将研究两种最常见的储能元件:可充电电池(大多数情况下锂化学的一些变化)和超级电容器(也称为超级电容器或超级电容器,虽然正式名称是电动双层电容器)。

  图1:所有能量采集设计共有四个功能元件:源换能器,储能元件,负载,系统控制器或电源 - 管理单位。

  两者都是不错的选择,但它们在容量/功率和能量密度,充电/放电循环,放电深度,形状因数,耐用性,负载瞬态性能,寿命和成本方面存在一些操作差异。当然,如何评估和加权这些参数取决于您的应用程序细节,优先级和约束。

  需要牢记的一个重要注意事项:术语“能量”和“能量”都用于能量收集应用。当然,它们密切相关:功率是能量使用的速度(工作正在进行),能量是功率的时间积分 - 但取决于您的应用以及您所处的运行周期的哪个部分,你可能对一个人比另一个人更感兴趣。所以在使用这些词时要小心,并确保你知道在任何特定时刻你真正关心的是哪一个。

  关于上面提到的重要参数,让我们看看电池与超级电容的选择。与大多数电子元件一样,一般指导原则也有例外,因为供应商可能决定将一个参数推到正常范围以外;但要做到这一点,供应商可能不得不削减另一个 - 当然,这完全取决于权衡。此外,正如工程设计的现实一样,没有通用的正确或最佳答案,最终的选择可能是将两种类型的存储元素结合起来,以提供您所需的性能优先级,甚至可能添加一个惊喜的第三选择。

  容量(功率和能量密度):要记住的一个很好的指导方针是超级电容器的功率密度高于电池,但能量密度较低。因此,不可避免的困境:用于存储收获的能量(电池)的名义上“更好”的组件可能不是为您的负载(超级电容器)提供电力的更好的组件。例如,来自Taiyo-Yuden的PAS414HR-VA5R采用纽扣电池外形,直径1.55 mm×4.80 mm,电容为60毫法拉(mF),具有充电/放电特性(图2)它支持更大负载的能力。

  图2:硬币式超级电容器,例如来自Taiyo-Yuden的PAS414HR系列,提供出色的充电(顶部)/放电(底部)循环性能。

  充电/放电周期:这非常依赖于供应商和型号,以及供应商进行最重要的设计性能权衡的领域之一。但一般来说,电池在一到一万次充电/放电循环中是好的,而超级电容的额定电压在一万到100,000次之间。

  放电深度:对于大多数电池,限制放电深度是延长使用寿命的关键。一般规则是将此放电限制为电池最大容量的10%至20%。相比之下,超级电容器的寿命受放电深度的影响要小得多。

  外形尺寸:通常,超级外壳具有更大的物理尺寸,与较小的空间受限设计的兼容性较低。您可以安装PC板安装的电池,厚度小于1毫米,与电路板上的其他元件相当。 Cymbet CBC012-D5C-TR Enerchip是一款3.8 V锂电池,额定电流为12μAhr,厚度仅为5.0×5.0×0.9 mm(图3),与任何标准表面贴装元件一样。

  图3:专业的锂化学成分可以实现极其紧凑的电池外形尺寸,如Cymbet的这款0.9毫米薄的表面贴装3.8-V Enerchip所示。

  坚固耐用:与电池相比,超级电容器在较高温度下的降解速度更快。通常情况下,它们的温度指定为+ 70°C,而许多电池的温度仅为+ 60°C,您可以找到完全符合+ 85°C标准的电池。

  负载瞬态性能:超级电容器在处理电流浪涌时比电池好得多,但它们的输出随负载迅速下降。

  寿命:超级电容器具有相对较高的内部自放电,因此即使不使用它们,也会存在能量损失。根据型号,它们可以在大约一个月内通过这种泄漏排出,因此需要经常补充。相比之下,电池自放电每年约为10%。

  良好的工程实践是对解决方案持开放态度。在这方面,即使您通过使用超级电容器,可充电电池或两者兼顾,将能量收集视为一种非常长期的电源和能源,也要问问自己实际使用的产品寿命究竟是什么。

  根据答案,不排除使用传统的非可充电硬币电池(如无处不在的CR2032)补充这些储能元件。这种类型的电池在低电流消耗下具有超过十年的保质期,并且可能是正确的附加装置,以克服超级电容器或可充电电池的弱点。很少有产品必须“永远”持续;通过增加一个小型,不可充电的储能元件,并以较低的总成本,可以实现十年无故障性能。

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