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如何選擇超級電容器
來源:網絡來源 日期:2011-7-7 作者:全球電池網 點擊:

超級電容器的兩個主要應用:高功率脈沖應用和瞬時功率保持。高功率脈沖應用的特征:瞬時流向負載大電流;瞬時功率保持應用的特征:要求持續向負載提供功率,持續時間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時功率保持的一個典型應用:斷電時磁盤驅動頭的復位。不同的應用對超電容的參數要求也是不同的。高功率脈沖應用是利用超電容較小的內阻(R),而瞬時功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。

下面提供了兩種計算公式和應用實例:

C(F): 超電容的標稱容量;
R(Ohms): 超電容的標稱內阻;
ESR(Ohms):1KZ下等效串聯電阻
Uwork(V): 在電路中的正常工作電壓;
Umin(V): 要求器件工作的最小電壓;
t(s): 在電路中要求的保持時間或脈沖應用中的脈沖持續時間;
Udrop(V): 在放電或大電流脈沖結束時,總的電壓降;
I(A): 負載電流;
瞬時功率保持應用
超電容容量的近似計算公式,該公式根據,保持所需能量=超電容減少能量。
保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t;
超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2),
因而,可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

實例:

假設磁帶驅動的工作電壓5V,安全工作電壓3V。如果直流馬達要求0.5A保持2秒(可以安全工作),那么,根據上公式可得其容量至少為0.5 F。因為5V的電壓超過了單體電容器的標稱工作電壓。因而,可以將兩電容器串聯。如兩相同的電容器串聯的話,那每只的電壓即是其標稱電壓2.5V。如果我們選擇標稱容量是1F的電容器,兩串為0.5F。考慮到電容器-20%的容量偏差,這種選擇不能提供足夠的裕量。可以選擇標稱容量是1.5F的電容器,能提供1.5F/2=0.75F。考慮-20%的容量偏差,最小值1.2F/2=0.6F。這種超級電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后,磁帶驅動轉入小電流工作模式,用超電容剩余的能量。在該實例中,均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。

脈沖功率應用脈沖功率應用的特征:和瞬時大電流相對的較小的持續電流。脈沖功率應用的持續時間從1ms到幾秒。設計分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實例中總的壓降由兩部分組成:由電容器內阻引起的瞬時電壓降和電容器在脈沖結束時壓降。關系如下:Udrop=I(R+t/C),上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。

對于多數脈沖功率應用,R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內阻R可以用直流ESR估計,標稱是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5=0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對于一個0.001s的脈沖,t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms,顯然R(0.090Ohms)決定了上式的Udrop輸出。

實例:
GSM/GPRS無線調制解調器需要一每間隔4.6ms達2A的電流,該電流持續0.6 ms。這種調制解調器現用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器(PA)要求3.0V的最小電壓。對于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下(最小3.0V),允許的壓降是0.6V。

選擇超級電容器(C:0.15F,AC ESR:0.200Ohms,DC ESR:0.250Ohms)。對于2A脈沖,電池提供大約1A,超電容提供剩余的1A。根據上面的公式,由內阻引起的壓降:1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內阻引起的壓降相比是小的。

結論不管是功率保持還是功率脈沖應用都可以用上公式計算。當電路的工作電壓超過超電容的工作電壓時,可以用相同的電容器串聯。一般地,串聯應該保持平衡以確保電壓平均分配。在脈沖功率應用中由超電容內阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內阻提供一種克服傳統電池系統阻抗大的全新的解決方案。

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