低功耗微控制器在提高能量收集系統的使用壽命方面做了很多工作。巧妙的架構和低功耗模式的使用使微觀電流能夠在保留寄存器和配置數據的同時吸收納安級電流。這使得設計人員可以使用過去不可行的更小，更低密度的能量存儲解決方案。

盡管如此，在大多數情況下仍然需要能量存儲作為環境能量收集系統中的關鍵角色，作為電源緩沖器來存儲足夠的能量以提供獲取和傳輸數據所需的功率突發在高峰需求期間，特別是如果數據將通過無線網絡傳輸。這些能量存儲裝置通常采用電池或超級電容器（超級電容器）的形式。

超級電容器彌補了傳統電容器和可充電電池之間的差距，提供了非常適合能量收集環境的性能特性。超級電容器的電容值可達傳統電解電容器的10,000倍。此外，雖然過去的超級電容器只能提供化學電池能量存儲密度的10％左右，但新的超級電容器化學和結構正在產生更高密度的能源，可以相對快速地充電。

本文介紹了設計能量收集解決方案的工程師可以使用的超級電容選項，特別注意絕緣和密封設計，這些設計必須能夠承受極端環境，或者與可充電電池技術不同，不能替代。

基本要點

超級電容器的核心元件是極化電極使用電解質作為導電介質。這與使用電解質作為陰極端子的電解電容不同。

超級電容器可以像其他電容器或堆一樣纏繞或堆疊（圖1左右）。每個電極，電解質，電極夾層實質上是電雙層電容器（EDLC）。與任何電容器或電池一樣，容量與電極和電解質的表面積以及板之間的間距成正比。并聯更多的表面積會增加電流并使它們串聯增加電壓。

圖1：基于繞線或板的結構可使ELDC層最大化表面面積最小的區域。

即使在數千次充電/放電循環后，即使在數千次充電/放電循環后性能很小或沒有降低的很長壽命的承諾是推動該技術發展的主要因素。超級電容器的有機聚合物和電解質滿足了許多環境問題，因為鋰離子電池中的毒素可以完全減少或消除。因此，整個系統可以密封和加固，以抵御極端環境。不需要檢修面板或可更換電池座。

但是，有些設備只需要大量電力，而電池技術可能是唯一的選擇。立即想到帶有背光的顯示器，但無線和RF收發器也可以吸收大量的突發型電流，具體取決于系統發現和數據模式的要求。也可以將音頻應用程序投入到這種混合中。

對于某些應用程序，組合方法可能是最好的。當放置在可充電電池上時，超級電池可以保護電池免于快速充電和放電，并且可以使用更多的電池能量。結果是需要更少的電池，改善了壽命和安全性，并且減少了維護。事實上，如果與可靠的能量收集解決方案協調良好，電池可能永遠不會受到壓力，并且密封設計可以在額定電池的保質期內存活。

當超級電容器用作預充電儲能器，將其視為能夠以能量收集器提供的最快速度填充的儲罐（圖2）。然后，充電控制器可以提供精確數量的充電能量，其終端特性可優化給定類型電池的能量傳輸。

圖2：A切換充電控制器使能量收集系統能夠快速捕獲所有可用能量，同時最大限度地損失超級電容，同時將帶電超級電容的能量輸送到充電控制器。注意：充電控制器功能可以通過睡眠微控制器進行，如果它具有可以在達到閾值時喚醒微控制器的比較器。

相反，當需要快速突發高輸出電流時，例如當Wi-Fi發射器啟動時，能量可能來自預充電的超級電容（圖3）。較低的內部電阻使其能夠比電池更有效地提供高突發的窄電流，電池可能沒有足夠低的內阻在這里有用。

圖3：需要高電流突發的負載可以使用帶有低RDS（ON）FET的超級電容。請注意充電部分的電流限制，以防止在使用低電量電源（例如電池電量不足）過快地對超級電容器充電時可能發生的電壓過低。

一些樣本部分

對于需要少量電荷存儲但需要考慮空間的應用，建議使用低容量，低成本的超級電容，如Panasonic的EC-RG0V105V。這種基于EDLC的1-F焊針部件類似于紐扣電池和支架的組合，工作電壓高達3.6 V，非常適合3.3 V低能耗微設計（圖4）。

圖4：類似于紐扣電池座的超級電容器可以取代舊電池，用于現代低功耗設計。這里的優點是它們可以密封和涂層，因為它們永遠不需要更換。

類似的20Ω零件來自Cornell Dubilier及其EDLRG105H3R6C。這種EDLR型雙電層超級電容器在通孔堆疊硬幣型封裝中提供高電容值。這些部件主要用于集成電路電壓備份，也可用于從電池提供初始電源。它們的優勢在于它們可以密封和涂層，因為它們永遠不需要更換。

這些超級電容器與可靠有效的能量收集技術（如無線充電）結合使用時可以做得很好。在大多數情況下，交流電源可用于為無線充電器回路供電，從而使電路（非常接近）保持活動狀態。超級電容器就像一個整流濾波器，提供充電輸出，但在AC無法使用時可以接管一段時間。

對于5 V系統，5-F Eaton PHV-5R4H505-R也是值得仔細看看。類似于晶體（圖5），該器件是該公司PowerStor PHV系列的一員，具有非常低的等效串聯電阻（ESR為70mΩ），非常適合短時間提供突發電流。

圖5：基于平行板和橢圓形纏繞的超級電容器類似于舊式晶體，可以在現代制造工藝中輕松處理。

在較低電壓下，更容易獲得更高的電容值。因此，1.8和2.2 V系統等低壓設計可以利用Maxwell Technologies 2.7 V，50 F BCAP0050 P270 T01等部件，其ESR僅為20mΩ。 Maxwell提供有關該公司HC系列零件的產品培訓模塊，可在Digi-Key網站上找到。

其他制造商也參與其中。例如，伊頓2.7 V 100 F HV1860-2R7107-R更像一個小型圓柱形電池而不是紐扣電池。該器件具有超低的12mΩESR。

更高的電壓

到目前為止，我們討論的超級電容都是針對嵌入式系統的處理器和邏輯電壓。然而，還有另一個重要的領域，即超級電容器可以發光并且電壓更高。一個很好的例子是165 F 48 V Maxwell Technologies BMOD0165 P048 B01“Ultracapacitor。”與高端電池類似，這些幾乎即時充電，極低ESR（6.3mΩ）模塊直接針對電信，汽車， UPS以及否則會使用電池的工業應用（圖6）。還提供75 V 94 F版BMOD0094 P075 B02。 Maxwell在Digi-Key的網站上為其48 V和75 V超級電容器（后者常用于風力發電機變槳系統）提供產品培訓模塊。

圖6 ：48和75 V Maxwell Technologies超級電容器的封裝類似 - 并直接針對 - 工業，電信和其他應用的電池。

Nichicon提供其雙電層EVerCAP（EDLC）超級電容器系列，它結合了鋁電解電容器和電池的特性，以提供速度和靈活性。這些適用于太陽能和風力發電機應用。讓我們考慮一下例如4,000 F Nichicon JJD0E408MSEG。這款徑向式超級電容器額定電壓為2.5 V，采用螺絲端子，可保持極低的2.2mΩESR和極高的浪涌電流。它包括Digi-Key網站上的Nichicon JUM系列。

下一步是什么？

展望未來，正在開發技術以制造超高能量密度的超級電容器，因此我們期望看到更小尺寸的低成本，高容量部件。石墨烯電極是提高能量和功率密度的最有前景的方法之一 - 理論上是鋰離子電池水平以及更高水平。事實上，使用石墨烯在超級電容器和電池中實現非常高的能量密度已經被描述為“變革性”技術。

最近，加州大學洛杉磯分校的研究生在科學雜志上報道他們已經展示了DVD激光器生產的石墨烯超級電容器，每克可存儲多達276 F.同樣的研究人員在Nature Communications上發表了另一篇論文，描述了一種利用DVD刻錄機技術生產所謂的“超級超級電容器”來為傳感器和其他小型電子設備供電的方法。理論上限為每克550 F，可以合理地預計到目前為止，超級電容器的前期成本和能量密度將變得更具競爭力，開辟了許多新的應用。