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可知足峰值功率负载的超级电容器简介

已有 422 次浏览2019-4-30 16:30

  关于明天的年夜多数设计团队来讲,从事空间受限的电池供电的破费电子产物开发使命将成为最具寻衅性的产物。除能够在给定的机箱尺寸内完成所需的功效以外,最主要的推敲因素之一是可用的功率预算。可用于一切电子装备的空间(例如处置赏罚赏罚器,无线毗连和显示器/UI)之间的平衡行动须要与电池的空间相对应。
  关于某些应用,例如与具有相机闪光功效的智能手机中的相比,峰值功率负载显着高于任何其他用例,虽然是恒久的。面临这类寻衅的工程师能够会推敲应用超级电容器(也称为双电层电容器(EDLC))作为知足峰值负载请求的措施。超级电容器能够存储比便利的电解电容器多100倍的电容,通常可以供应高达4安培的电流,一连40毫秒。这类EDLC也是供应备用电源以顺应应用主电源瞬间中止的理想选择。用于固态磁盘驱动器的备用电源,内存备份,实不时钟备用电源和用作能量群集装备的能量存储器都是应用EDLC的候选电源。
  EDLC,与陶瓷或电解电容器不合,不要应用介电层。取而代之的是两个电极之间的电解质,岂论是固体还是凝胶状物质(图1)。这类结构的所得电容与电极的外面积成比例,而且经由历程应用群集在铝箔上的动力活性炭作为电极,供应相当高的电容值。收支电极外面的离子吸收历程会发生EDLC的充电和放电。
  可知足峰值功率负载的超级电容器简介
  图1:构建超级电容器 - EDLC
  EDLC的结构经常因制造商而异,每个都具有稍微不合的特点。例如,Murata及其DMT/DMF系列(图2)接纳铝质层压薄膜包装,两侧涂有绝缘塑料层。活性炭电极和电解质的夹层组成多层包装,而且每个片材经由历程划分器机械地和电气地划分。而且,两个电容器组成在单个“袋”封装内,而且除外部电极以外还与毗连到中点的引线勾通毗连。 Murata产物的一个例子是DMT334R2S47,一个470 mF超级电容器,特殊使命电压为4.2 VDC。 TDK接纳类似的措施,其EDLC252520系列,例如EDLC252520-351-2F-21,350 mF,使命电压为3.2 VDC。
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  图2:Murata EDLC封装示例
  相比之下,松下与其Gold系列EDLC接纳了几种具有不合特点的结构形式。纽扣电池名堂用于存储器备份应用和太阳能电池的赞助电源,多层堆叠纽扣电池部署用于工业和汽车存储器备份应用,而且应用更熟悉的圆柱形封装,具有相对低的ESR,用于更高电流的应用,如玩具。一个例子是EEC-S0HD334V,一个330 mF 5.5 VDC使命电压部件。
  为了更好地明确EDLC的行动和操作,有须要推敲其等效电路模子。从质朴的第一眼看,模子如图3所示。
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  图3:EDLC的质朴等效电路模子
  请重视,EDLC中两个电容器单元的组合培植了一个进一步简化的模子。等效电容为一半,有用勾通电阻(ESR)加倍。可是,该模子没有推敲活性炭电极的现实验为。由于其群集招致外面上不合深度的层或孔,离子的移动变换。效果是离子可以快速移动到外面上的活性炭,但是更深条理的离子须要更长时间。外面快速吸收电荷,但较深的层须要更长的时间才干完全充电。为了在等效电路模子中推敲到这一点,更准确的体现 - 见图4 - 网罗多个并联电容和勾通电阻。
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  图4:EDLC的详细等效电路模子
  通常,年夜多数超级电容器EDLC器件制造商供应的电容值规模从几百毫法拉到几法拉,使命电压通常高达5.5 VDC 。虽然它们的电容值和它们的能量存储才干很高,但它们的物理尺寸经常相对较薄。例如,Murata DMF-4B5R5G 1 F,5.5 WVDC部件尺寸仅为1.181 x 0.515 x 0.146英寸(30.00 x 14.00 x 3.70 mm)。
  与钽或铝电容器相比,EDLC可供应100多个倍于储能才干。例如,1.5 F 6.3 V钽电容可供应高达20 mJ的存储能量,而470 mF 4.2 V EDLC可存储2,000 mJ的能量。推敲到钽电容器在发生短路时会惹起火灾,它们的用度和铝的年夜尺寸和无限的寿命周期,EDLC成为供应岑岭值负载或备用电源应用的理想选择。通常可以供应10瓦特,有些则可以供应高达100瓦的输入功率。此外,与应用锂纽扣电池取代EDLC相比,锂电池只能供应异常低的功率。
  为EDLC充电通常只需几分钟,取决于有用电阻装备(图5)。由于EDLC具有很少的外部电阻,是以通常不须要任何外部限流电阻。
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  图5:EDLC充电之间的关系 - 内阻和时间
  图6显示了基于恒流放电的EDLC放电周期的浅易模子。
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  图图6:EDLC恒流放电的尺度放电曲线
  图7说清晰了了Murata DMF系列EDLC的这类情形。由于外部ESR,在放电时存在初始电压降,当泛起较年夜的电流条件时,电压降较年夜。然后EDLC的电压泉源随时间降低。这类降低的速率取决于消耗的电流和标称电容值。在恒定功率放电的情形下,电压和时间之间的关系不是线性的,而且基于放电功率(P),标称电容(C)和瞬时电压电平V组成更多曲线,由dv/dt = P/CV。
  可知足峰值功率负载的超级电容器介
  如前所述,有一些用于EDLC的理想用例。
  图8显示了应用EDLC作为平衡电池设计中负载峰值的措施。供应特殊的电力来填补电池电源输入,当负载需求逾越伶仃的电池能够供应时,组合电源知足应用需求。
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  在本文简介中提到的用例场景中,供应EDLC以供应图9中示出了岑岭值功率才干。这样的峰值负载可以是智能德律风上的相机闪光功效或许顺应电机启动峰值负载。经由历程应用EDLC取代应用更高特殊电池的这些功效,设计工程师可以降低所有BOM资源并将所需空间降至最低。这在当今空间受限的破费电子装备中特殊主要。
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  EDLC也能够或许用于存储电源不频仍但仍存在稳固负载条件的能量。参见图10.应用能量群集取代电池而且没有其他可靠电源可用的看法吸引了那些开发用于物联网(IoT)应用的传感器应用。从多个(如太阳能电池和振动搜集器)群集的能量可以很容易地存储在EDLC中,以便为无线传感器应用供应可靠的电源。
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  事适用例是为内存应用供应暂时备用电源,如固态驱动器(SSD),如图11所示SSD的电源中止是一个要害事宜。由于依附于高速缓冲存储器,假定电源突然掉落效,任何未决的磁盘/高速缓存写入很能够会损掉落,由于不会发生准确的待机/关闭历程。为了防止数据损掉落和能够破损的磁盘分区,可以应用EDLC确保关闭和/或缓存写入历程可以无弱点地发生。
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  EDLC愈来愈受设计工程师的喜欢,如电池和年夜电容器替换品。能够供应高能量,占用很小的电路板空间并具有优胜的可靠性和老化特点,EDLC将异常受迎接。
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