太陽能電池會將電流輸送到短路狀態(tài),因此如果 Vsolar_cell > 在汲取負載電流時為負載供電所需的最小電壓,并且太陽能電池的開路電壓,Vsolar_oc < 最大超級電容器電壓,這提供了固有的過電壓保護,那么最簡單的充電電路如圖 7所示。二極管防止超級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耗盡超級電容器低光照水平。
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電容器、超級電容器充電電路的要求和充電 IC 特性。我們現(xiàn)在將使用兩個案例研究來詳細說明這些屬性。 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,因此超級電容只需要支持數(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,超級電容器應(yīng)支持 12 小時無光傳輸。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)計限制為薄棱柱形尺寸的應(yīng)用。
電動汽車 (EV) 的支持者(無論是實際購買者還是潛在購買者)擔心的問題之一是電池電量不足然后電量不足的可能性。這相當于基于內(nèi)燃機 (ICE) 的車輛耗盡氣體,或混合動力電動車輛 (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)計中,確定如何存儲以備后用同樣重要。即使由于使用能量收集、太陽能或風力發(fā)電,能源被認為是“免費的”(當然,沒有這樣的東西),但幾乎總是存在兩個相關(guān)的問題:儲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,但三合會中的其他兩個因素同樣重要。當您無法儲存任何未使用的能源以供閑置期間使用時,可再生“綠色”能源的技術(shù)現(xiàn)實和經(jīng)濟狀況將發(fā)生巨大變化。
大多數(shù)公眾以及工程師都會定期處理可充電電池,但它們是手持設(shè)備和小家電中相對較小的電池,容量在 mA-hr 范圍內(nèi)。但那里還有另一個世界,一個更大的電池,例如用于 HEV 和 EV 的電池,它對生產(chǎn)和材料要求產(chǎn)生巨大影響。
對于工程師來說,使用風能、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事實)。簡而言之:存儲對于成功實施這種類型的能源系統(tǒng)與發(fā)電本身一樣重要。
電池回收原則上是一件好事,因為它有助于回收進入這些電化學儲能容器的許多獨特和特殊的元素(包括稀土)。對于作為最終用戶的普通消費者而言,回收工作的開始和結(jié)束都是將電池扔進商店或回收中心的那些獨特的“在這里回收電池”盒子。我在某處(對不起,不記得在哪里)讀到汽車中大約 90% 的鉛酸電池被回收,但只有大約 5-10% 的消費者 AAA、AA、C、D、9-V、按鈕,紐扣電池被回收利用——所以還有很長的路要走。
電動汽車將改變能源和自動化市場,促進對智慧城市的重大投資。這些變化與向更清潔、更分散和數(shù)字化環(huán)境的演變相吻合。電動汽車 (EV) 充電可能會對電網(wǎng)造成局部限制和穩(wěn)定性問題,并降低電氣化的環(huán)境效益。支持電動汽車的投資和基礎(chǔ)設(shè)施將從一個地方到另一個地方發(fā)生重大變化。
電池和能量電池會隨著老化而失去容量。如果電池或電池的容量過低,我們的設(shè)備也可能很快停止工作。我們可以使用圖 1 中的電路來測量電池的放電時間。該電路使用機電時鐘和 DVM(數(shù)字電壓表)。測試前電池應(yīng)充滿電。該電路以固定電流對電池進行放電,并測量電池從 100% 放電至 0% 所需的時間。
假設(shè)我們需要測試 1.5V、AA 尺寸的堿性電池。我們可以應(yīng)用短路并測量電流,也可以測量開路電壓,但兩種方法都不能正確測試電池。大約 250 mA 的合適測試電流可為我們提供更合理的測試。我們可以在 1.5V 下使用 6Ω 電阻負載,如果電池狀況良好,它會在 25°C 的環(huán)境溫度下產(chǎn)生 1.46V 的輸出電壓。劣質(zhì)電池可能產(chǎn)生低于 1.2V 的電壓。給定負載,1.2V 的輸出電流將為 200 mA 而不是 250 mA。電池將只有 80% 的滿載電流。相反,我們可以使用圖 1 中的電路 來產(chǎn)生恒流負載。
您肯定知道風力發(fā)電是一種可靠的能源,并且已經(jīng)看到那些帶有緩慢旋轉(zhuǎn)葉片的大塔。(我對這些塔以及風作為大量穩(wěn)定電力的可行來源有矛盾的感覺,但這是另一天的討論。)
在住宅、商業(yè)、校園甚至電網(wǎng)級別進行更大規(guī)模的儲能是一項挑戰(zhàn),沒有明確的最佳解決方案。選項包括電化學(電池)、勢能(升高的水或重量)、氫(通過燃料電池)、相變材料(熔鹽)和機械功(在巨大的水箱或洞穴中壓縮/減壓空氣)幾種可能性。
無論如何,在衰落一個世紀后,電池又開始受到重視。這一趨勢是在巨額投資的推動下進行的,研究不僅在電動汽車領(lǐng)域展開,還在手機或游戲機等其他重要領(lǐng)域展開。這些蓄能器正在沿著不可思議的道路前進。
隨著我們在日常生活中更多地轉(zhuǎn)向使用無線產(chǎn)品,電力電子研究同時也在為電動汽車 (EV) 等事物發(fā)展無線充電的新趨勢。許多國家現(xiàn)在正在實施燃油經(jīng)濟性法規(guī)并推動以電動汽車取代汽油車的舉措;因此,汽車制造商現(xiàn)在非常關(guān)注電動汽車的開發(fā)。雖然鋰離子電池和超級電容器等技術(shù)進步大有希望,但更平穩(wěn)地向電動汽車過渡的主要要求是基礎(chǔ)設(shè)施和合適的快速充電系統(tǒng)的可用性。