無論我們的汽車是使用內(nèi)燃機(jī) (ICE)，還是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV)，甚至是純電動(dòng)汽車 (EV)，都可以將其作為基本能源，為我們的家提供一些交流電停電，對(duì)吧?嗯，是的，也不是。
電池組是電動(dòng)工具、踏板車和電動(dòng)汽車 (EV) 等電池供電產(chǎn)品中最昂貴的組件之一。電池組性能極大地影響了電動(dòng)汽車的車輛級(jí)關(guān)心，包括續(xù)航里程、電池組使用壽命和充電時(shí)間，更不用說車輛的安全性和可靠性。因此，電池管理成為深入研究和持續(xù)開發(fā)工作的主題也就不足為奇了。
由于測量和控制的復(fù)雜性，包含電池平衡以及電壓和溫度測量的集成多通道 IC 代表了一種具有成本效益和優(yōu)化的解決方案。這種監(jiān)控和平衡設(shè)備的一個(gè)例子是 STMicroelectronics 的L9963芯片，該芯片支持每個(gè)芯片多達(dá) 14 個(gè)電池和多達(dá) 7 個(gè) NTC 溫度傳感器輸入。
我們的許多常見設(shè)備都使用可充電電池(也稱為“二次”電池)，而不是一次性使用的不可充電電池(原電池)。我們預(yù)計(jì)遲早我們需要在某個(gè)時(shí)候更換不可充電電池，假設(shè)整個(gè)單元不是“一次性”的一次性產(chǎn)品(我知道在大多數(shù)情況下這是一件壞事，但有時(shí)它是為產(chǎn)品供電的唯一可行且有效的方式)。但是，使用帶有可充電設(shè)備的產(chǎn)品也很容易讓我們感到舒適，以至于我們很容易忘記，它們的使用壽命也是有限的，這取決于它們可以支持的充電/放電循環(huán)次數(shù)，同時(shí)還能提供大部分原始容量。
超級(jí)電容器(也稱為超級(jí)電容器)是相對(duì)較新的無源設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新，第一批產(chǎn)品于 1970 年代上市，并在 1990 年代初得到廣泛使用。在他們開發(fā)之前，“傳統(tǒng)智慧”和教科書認(rèn)為即使是一法拉電容器對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)也是不切實(shí)際的，因?yàn)樗挥幸粡堊雷幽敲创?。然而今天，超?jí)電容是工程師材料清單 (BOM) 套件中的標(biāo)準(zhǔn)組件。
磷酸鐵鋰 (LiFePO 4 ) 電池比鋰離子電池更安全，可提供 5 到 100 AH 之間的各種大電池尺寸，循環(huán)壽命比傳統(tǒng)電池長得多： 圓柱形LiFePO 4 電池是所有系列中最熱門的產(chǎn)品之一，它們具有許多強(qiáng)大的特性： · 高能量密度，270 至 340 Wh/L;這意味著工作時(shí)間長 · 穩(wěn)定的放電電壓 · 相同順序的不同單元格之間的一致性好 · 循環(huán)壽命長，2000次剩余80%容量 · 快充，一小時(shí)內(nèi)充滿 · 安全耐高溫性能
環(huán)境有豐富的能量，但很少有力量。能量收集可以利用環(huán)境的“無限”能源，并避免連接到主電源的成本或更換和處理電池的耗時(shí)且對(duì)環(huán)境敏感的任務(wù)。許多應(yīng)用都有成本和尺寸限制，因此本文將著眼于使用小型太陽能電池。近年來，太陽能電池已投入大量開發(fā)工作，使其成為最高效、最有效和可用的小型能量收集器。能量收集為無線傳感器等自主應(yīng)用提供了方便且具有成本效益的能量供應(yīng)，并且無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 正變得無處不在。本文將重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境收集的太陽能，如果在房間內(nèi)沒有檢測到，它可以為運(yùn)動(dòng)傳感器提供動(dòng)力以關(guān)閉燈，
設(shè)計(jì)師面臨的首要選擇是使用單電池還是雙電池超級(jí)電容器。超級(jí)電容器是低壓器件，典型的最大電池電壓為 2.7V。具有 2 個(gè)串聯(lián)電池的雙電池超級(jí)電容器使該最大電壓翻倍。單電池解決方案成本更低，需要的空間更少，并且不需要電池平衡。如果應(yīng)用的最大-最小電壓為 3V–2V，例如 BLE，則在降低的電壓范圍(例如 2.7V–2.0V)上運(yùn)行該應(yīng)用，并使用單個(gè)電池。如果應(yīng)用最小電壓大于最大單節(jié)電壓，例如 GPRS 模塊的 3.2V，那么雙節(jié)超級(jí)電容器是直接提供峰值負(fù)載電流的超級(jí)電容器的最佳解決方案。
太陽能電池會(huì)將電流輸送到短路狀態(tài)，因此如果 Vsolar_cell > 在汲取負(fù)載電流時(shí)為負(fù)載供電所需的最小電壓，并且太陽能電池的開路電壓，Vsolar_oc < 最大超級(jí)電容器電壓，這提供了固有的過電壓保護(hù)，那么最簡單的充電電路如圖 7所示。二極管防止超級(jí)電容器向太陽能電池放電，選擇肖特基用于低正向電壓，BAT54 用于低漏電流，因此太陽能電池不會(huì)耗盡超級(jí)電容器低光照水平。
在本系列的前面部分中，我們回顧了太陽能電池的性能、如何選擇和尺寸超級(jí)電容器、超級(jí)電容器充電電路的要求和充電 IC 特性。我們現(xiàn)在將使用兩個(gè)案例研究來詳細(xì)說明這些屬性。 案例研究 1：在 100 勒克斯的低光照條件下，在室內(nèi)使用小型太陽能電池為使用 CAP-XX GA109 的藍(lán)牙低功耗傳感器供電 在這種情況下，我們使用了在低至 100 勒克斯的室內(nèi)光線下運(yùn)行的低功耗 BLE 傳感器。傳感器只在有光的情況下工作，因此超級(jí)電容只需要支持?jǐn)?shù)據(jù)采集和傳輸即可。
在本案例研究中，我們將使用案例 1 中使用的相同太陽能電池，但在陽光明媚的日子使用戶外照明。這將用于支持每 ? 小時(shí)持續(xù) 2 秒的 SMS。SMS 突發(fā)使用 10 類 GPRS 傳輸，在 25% 占空比下具有 2A 1.1ms 脈沖。此應(yīng)用中的最大最小電壓為 3.8V – 3.0V，超級(jí)電容器應(yīng)支持 12 小時(shí)無光傳輸。CAP-XX 最近發(fā)布了從 1 到 400F 的具有成本效益的圓柱形電池系列，適用于需要更高 C 但不受工業(yè)設(shè)計(jì)限制為薄棱柱形尺寸的應(yīng)用。
電動(dòng)汽車 (EV) 的支持者(無論是實(shí)際購買者還是潛在購買者)擔(dān)心的問題之一是電池電量不足然后電量不足的可能性。這相當(dāng)于基于內(nèi)燃機(jī) (ICE) 的車輛耗盡氣體，或混合動(dòng)力電動(dòng)車輛 (HEV) 耗盡氣體和電子。
工程師知道從各種來源獲取能量很重要，但在許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確定如何存儲(chǔ)以備后用同樣重要。即使由于使用能量收集、太陽能或風(fēng)力發(fā)電，能源被認(rèn)為是“免費(fèi)的”(當(dāng)然，沒有這樣的東西)，但幾乎總是存在兩個(gè)相關(guān)的問題：儲(chǔ)存未使用的多余能量，以及傳輸那種能量。雖然這一代得到了公眾的大部分關(guān)注，但三合會(huì)中的其他兩個(gè)因素同樣重要。當(dāng)您無法儲(chǔ)存任何未使用的能源以供閑置期間使用時(shí)，可再生“綠色”能源的技術(shù)現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)狀況將發(fā)生巨大變化。
大多數(shù)公眾以及工程師都會(huì)定期處理可充電電池，但它們是手持設(shè)備和小家電中相對(duì)較小的電池，容量在 mA-hr 范圍內(nèi)。但那里還有另一個(gè)世界，一個(gè)更大的電池，例如用于 HEV 和 EV 的電池，它對(duì)生產(chǎn)和材料要求產(chǎn)生巨大影響。
對(duì)于工程師來說，使用風(fēng)能、太陽能甚至水等無污染能源的最大障礙之一是它們固有的間歇性可用性，這對(duì)工程師來說已經(jīng)不是什么新鮮事了(盡管許多記者和其他滿懷幻想的專家似乎并不理解這個(gè)事實(shí))。簡而言之：存儲(chǔ)對(duì)于成功實(shí)施這種類型的能源系統(tǒng)與發(fā)電本身一樣重要。
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王洪陽
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