超級電容與小型能量采集源的結合

圖5，微發電機包括一個二極管橋，防止超級電容反充電給發電機，這就得到了一個簡單的充電電路。

開路電壓為8.5V，需要一個雙芯的超級電容，如CAP-XX HZ202，它的工作電壓為5.5V。并聯穩壓器提供了過壓保護，一個小電流主動均衡電路可確保各電容芯之間的平均分配。凌力爾特技術公司的LT3652、LTC3108和LTC3625 IC以及德州儀器公司的BQ25504一起，由能量采集源為超級電容充電。

泄漏電流

由于有些能量采集器只能提供數微安的電流，因此泄漏電流就變得很關鍵。超級電容泄漏電流可以小于1μA，因此適合于能量采集應用(圖6)。

圖6，根據經驗，室溫下CAP-XX超級電容的均衡泄漏電流為1μA/F。

當超級電容充電時，泄漏電流會隨著時間而衰減，因為碳電極中的離子會擴散進入孔隙中。泄漏電流會穩定在一個均衡值，該值取決于電容、電壓和時間。泄漏電流與電容芯成正比。超級電容均衡泄漏電流的經驗估計算法為室溫下1μA/F。圖6中的150mF電容，在160小時后的泄漏電流為0.2μA和0.3μA。泄漏電流隨溫度升高而呈指數上升。當溫度升高時，穩定到均衡值的時間會減小，因為離子擴散的速度更快。因此，這些電容從0V充電需要的時間最小。根據不同的超級電容，這個電流范圍從5μA~50μA。設計者在為能量采集電路挑選超級電容時，應考慮測試這個最小充電電流。

芯均衡

對于要求超級電容端子電壓大于芯額定電壓的電路，要將多只超級電容芯串聯，以達到額定電壓，如5V或12V。這種情況下，就需要采用一個芯均衡電路，否則，某只電容芯就可能進入過壓狀況，因為所有的電容芯的泄漏電流都有所差異，有不同的電壓-泄漏電流特性。但因為它們是串聯的，所以它們必須有相同的泄漏電流。為實現這個目標，各電容芯會在各自之間重新分配電荷；這樣，某個電容芯就可能進入過壓狀態。電容芯處于不同溫度下或以不同速率隨時間老化時，可能會加重這個問題。最簡單的均衡電路是每個芯并聯一只電阻。根據超級電容的泄漏電流以及工作溫度，電阻值通常在1kΩ~50kΩ之間，但對大多數能量采集應用來說，通過均衡電路的泄漏電流太高。能量采集應用的較好辦法是采用一種小電流的有源均衡電路(圖7)。

圖7，小電流有源均衡電路可用于能量采集應用。

圖7中的MAX4470運放供電電流為750nA，具有軌至軌的輸入與輸出能力。R3用于當某只電容芯造成短路時，限制輸出電流。最終設計是，在均衡一只0.5F CAP-XX HW207超級電容160小時后，電流為2μA~3μA(圖8)。為適應于對數坐標，芯均衡電流的絕對值可以為正也可以為負。

圖8，本設計在對一個0.5F的CAP-XX HW207超級電容做160小時均衡后的電流為2μA~3μA。

溫度特性

超級電容對能量采集應用的一個主要優勢是它們有寬范圍的溫度性能。實例有：采用振動變換器的能量位置追蹤單元，它可以工作在低于零度的溫度下，另外還有可在冬天陽光下工作的太陽能板。在-30℃時超級電容的ESR通常是室溫下ESR的兩到三倍，因此即使在低溫下，它仍可以提供峰值功率。與之相比，薄膜型電池的內阻在這種低溫下可能達到數千歐姆。

做電池的補充

在某些應用中，超級電容是電池的替代品；還有一些應用中，超級電容為電池提供支持。有些情況下，超級電容可能無法存儲足夠的能量，此時就有必要使用電池了。例如，當環境能源(例如太陽)為間歇式時，如在夜間，則存儲的能量不僅要用于提供峰值功率，而且還要支撐應用更長的時間。如果所需峰值功率超過了電池可以提供的量(如在低溫下做GSM呼叫或小功率傳輸)，則電池可以用小功率為超級電容充電，而超級電容來提供大的脈沖功率。這種結構還意味著電池永遠不會深度循環，從而延長了電池壽命。超級電容存儲物理電荷，而不是像電池那樣的化學反應，因此超級電容實際有無限的循環壽命。

當超級電容從一只電池充電來提供峰值功率脈沖時，各個脈沖之間存在著一個重要的間隔，如果脈沖相距過近，則讓超級電容總是處于充電狀態會更有效率。但如果脈沖間距不太近，則能效更高的辦法是在峰值功率事件以前為超級電容充電。這個間隔取決于多種因素，包括超級電容在達到均衡泄漏電流以前吸納的電容、超級電容的自放電特性，以及電路為了提供給峰值功率事件而從超級電容拉出的電荷。只有當你預先知道峰值功率事件的來臨時間，這種選擇才是有效的，而不能用于對不可預測事件的反應，如電池失效或外部刺激。