【導(dǎo)讀】對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，從小規(guī)模物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 節(jié)點(diǎn)、資產(chǎn)跟蹤和智能計(jì)量，到設(shè)備備用電源和狀態(tài)報(bào)告之類大型應(yīng)用產(chǎn)品越來越需要采用獨(dú)立充電電源供電。一般情況下，他們的選擇僅限于通常基于鋰 (Li) 離子化學(xué)的電化學(xué)電池，是通常被稱為超級(jí)電容器的雙電層電容器 (EDLC)。問題在于，無論是單獨(dú)使用還是組合使用，每種技術(shù)都一定局限性，需要開發(fā)人員針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)來權(quán)衡每種技術(shù)的功能和局限性。
特別是對(duì)于低功耗物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用來說，這些設(shè)計(jì)目標(biāo)通常包括可靠性、長(zhǎng)工作壽命、效率、能量密度和易用性，從而使設(shè)計(jì)和集成過程更簡(jiǎn)單，開發(fā)時(shí)間更短，項(xiàng)目成本更低。雖然同時(shí)使用鋰離子和 EDLC 來實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)是完全可行的，但這兩種方法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化卻是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。整合性方法可能更合適。
本文將討論物聯(lián)網(wǎng)電源設(shè)計(jì)的要求以及電化學(xué)電池和 EDLC 背后的技術(shù)。然后，介紹一種采用混合儲(chǔ)能組件的替代方法。這種方法件將電池和 EDLC 的屬性整合在同一封裝中。本文將以Eaton — Electronics Division的器件為例介紹并討論其特點(diǎn)和應(yīng)用。
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求低功耗、長(zhǎng)運(yùn)行壽命
在過去幾年里，可以從相對(duì)較小的電源供電的低功耗、低占空比應(yīng)用的數(shù)量在激增。這些設(shè)備中的電路雖然具有從毫安級(jí)到安培級(jí)的有源模式工作電流，但通常在深度睡眠模式下實(shí)現(xiàn)了典型情況下只需要微安級(jí)電流的擴(kuò)展工作模式。這些設(shè)備中所使用低功耗、低速率、低占空比無線技術(shù)，如 LoRaWAN 或低功耗藍(lán)牙 (BLE) 等也有助于將功耗降到最低。
對(duì)于這些工作條件，設(shè)計(jì)者通常會(huì)考慮兩種儲(chǔ)能技術(shù)：鋰離子電池的某些變體或超級(jí)電容器。每一種設(shè)備都在能量的容量和密度、壽命周期、端電壓、自放電、工作溫度范圍、低放電率和高放電率下的性能等因素方面進(jìn)行了權(quán)衡。
蓄能技術(shù)的主要區(qū)別
簡(jiǎn)單來說，無論是一次電池（非充電版）還是二次電池（充電版），它們都基于電化學(xué)原理。鋰基電池包含一個(gè)石墨陽極和一個(gè)金屬氧化物陰極，夾在這兩者中間的通常是液體電解質(zhì)，但在某些情況下也可以是固體電介質(zhì)。由于各種形式的內(nèi)部性能退化，使得充電電池壽命受限，通常只有幾千個(gè)充放電周期。
此外，電池需要復(fù)雜的電池和電池組管理，以最大限度地延長(zhǎng)工作壽命，同時(shí)防止出現(xiàn)過充電、熱擊穿或其他可能導(dǎo)致性能降低、電池受損甚至起火等事件的故障。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，這些電池相對(duì)平坦的放電曲線簡(jiǎn)化了電路實(shí)施（圖 1）。
圖 1：典型鋰離子電池的放電周期曲線顯示，在電池接近完全放電之前整個(gè)過程中，輸出電壓幾乎保持恒定不變。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
相比之下，EDLC 是通過物理過程而不是化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)能的。這些器件在陽極和陰極兩側(cè)都有活性炭電極，是對(duì)稱的。電極的充電和放電是靜電過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，其循環(huán)壽命實(shí)際上是無限的。與電池相反，電極端電壓是所輸送電能的函數(shù)，呈線性下降關(guān)系（圖 2）。
圖 2：與鋰離子電池相反，超級(jí)電容器的輸出電壓隨著它放棄所儲(chǔ)存的電荷而穩(wěn)步下降。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
EDLC 技術(shù)是無源元件世界中一項(xiàng)比較新的開發(fā)領(lǐng)域。即使到了 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代，人們的傳統(tǒng)觀念還停留在即使只有 1 法拉的電容器也會(huì)有 1 個(gè)房間那么大。然而，材料和表面技術(shù)方面的研究帶來了新的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)，并最終形成了被稱為超級(jí)電容器的器件，它在一個(gè)與其他基本無源器件尺寸相當(dāng)?shù)姆庋b內(nèi)實(shí)現(xiàn)了數(shù)十甚至數(shù)百法拉的電容。
拓?fù)溥x擇需要做權(quán)衡
由于電池和 EDLC 之間存在基本的設(shè)計(jì)和性能差異，設(shè)計(jì)者必須決定只使用一種儲(chǔ)能器件，還是將這兩者組合使用。如果選擇組合使用，則設(shè)計(jì)者必須在各種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中做決定，每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有各自的權(quán)衡和對(duì)性能的不同影響（圖 3）。
圖 3：設(shè)計(jì)人員可以在三種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中組合超級(jí)電容器和電池：（從上至下）并聯(lián)、作為獨(dú)立單元或通過控制器/穩(wěn)壓器進(jìn)行組合。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
● 并聯(lián)方式最簡(jiǎn)單，但超級(jí)電容的使用效果并不理想，其輸出電壓直接與電池電壓關(guān)聯(lián)。
● 當(dāng)有一個(gè)非關(guān)鍵性基本負(fù)載和一個(gè)獨(dú)立的關(guān)鍵性負(fù)載時(shí)，將電池和超級(jí)電容器分別作為獨(dú)立單元使用時(shí)效果最好，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)能為每個(gè)單元提供獨(dú)立的電源，但在這種方法下獨(dú)立單元之間的協(xié)同效應(yīng)不具備任何優(yōu)勢(shì)。
● 智能布置能夠?qū)⒚總€(gè)能量源的能力相結(jié)合，并最大限度地延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間和循環(huán)壽命，但它需要另外的管理組件，如控制器和兩個(gè)能量源與負(fù)載之間的 DC-DC 穩(wěn)壓；這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最常用于與運(yùn)輸相關(guān)的電力裝置。
當(dāng)使用這樣的拓?fù)鋾r(shí)，無需在電池和超級(jí)電容器之間做出“非此即彼”的決定。設(shè)計(jì)者可以選擇同時(shí)使用這兩種器件，但將它們組合使用時(shí)，設(shè)計(jì)者必須在兩種器件的不同特性之間找到最佳平衡點(diǎn)。
好消息是，由于采用了創(chuàng)新組件，在選擇使用電池或者超級(jí)電容器，還是兩者兼而有之時(shí)，可以擺脫“非此即彼”的窘境。Eaton – Electronics Division 的混合儲(chǔ)能組件系列將兩者的屬性整合在同一封裝中，無需進(jìn)行任何折中選擇。
混合型超級(jí)電容器的案例
混合型超級(jí)電容器將電池和超級(jí)電容器的基本結(jié)構(gòu)整合在同一物理單元中。這些混合組件并不僅僅是將一對(duì)獨(dú)特的電池和超級(jí)電容器簡(jiǎn)單地封裝在同一外殼中。而且，這種器件是將電池的化學(xué)性質(zhì)和超級(jí)電容器的物理性質(zhì)融合在同一結(jié)構(gòu)中的能量源。因此，這種混合器件克服了電池和超級(jí)電容器各自的缺點(diǎn)，同時(shí)在滿足設(shè)計(jì)要求方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。
混合型超級(jí)電容器是由摻鋰石墨陽極和活性炭陰極組成的非對(duì)稱器件。雖然充電過程主要是通過電化學(xué)方式完成的，但與鋰離子電池相比，充電深度明顯降低。
在其他屬性方面，這兩種技術(shù)的組合實(shí)現(xiàn)了非常高的循環(huán)次數(shù)（典型最少循環(huán)至少 500,000 次）、對(duì)高放電率的快速反應(yīng)能力（圖 4）。
圖 4：除了其他優(yōu)點(diǎn)外，混合型超級(jí)電容器還克服了電池充放電的周期和速率限制。（圖片來源：Eaton– Electronics Division）
另外，由于沒有使用金屬氧化物，使得混合型超級(jí)電容器不會(huì)產(chǎn)生任何火災(zāi)或熱擊穿風(fēng)險(xiǎn)。輸出特性與電荷水平的關(guān)系也符合低電壓、低功耗系統(tǒng)的需求（圖 5）。
圖 5：混合型超級(jí)電容器的輸出放電曲線介于電池和標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器之間。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
與所有的組件和設(shè)計(jì)方法一樣，每個(gè)儲(chǔ)能解決方案都會(huì)在性能和功能方面進(jìn)行折衷。表 1 顯示了典型案例中這些彼此相關(guān)的儲(chǔ)能方案的正 (“+”) 和負(fù) (“-”) 屬性。
表 1：電池、超級(jí)電容器和混合型超級(jí)電容器的典型特性比較結(jié)果表明，混合型器件結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。（表格來源：作者，使用了來自 Eaton – Electronics Division 的數(shù)據(jù)）
經(jīng)驗(yàn)豐富工程師都知道，沒有一種方法是完美的。很多情況下，如果現(xiàn)有解決方案中的某個(gè)正屬性至關(guān)重要，那么就會(huì)用這種方法來替代其他任何方法。因此，系統(tǒng)需求將決定最終所采取的解決方案。
混合型超級(jí)電容器跨越了法拉第/能量容量范圍
與一些只提供有限規(guī)格的專用器件不同，這些混合型超級(jí)電容器的性能范圍相當(dāng)廣泛。例如，處于低端的HS1016-3R8306-R是 Eaton 的HS 系列圓柱形混合超級(jí)電容器電池中的 30 F 單元，長(zhǎng) 18 mm，直徑10.5 mm（圖 6）。
圖 6：Eaton HS1016-3R8306-R 是一種 30 F 單元，屬于HS 系列圓柱形混合超級(jí)電容器電池。（圖片來源：Eaton –Electronics Division）
HS1016-3R8306-R 的工作電壓為 3.8 V，其初始 ESR 臨界規(guī)電阻低至 550m Ω，因此具有相當(dāng)高的功率密度，是標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器的 8 倍之多。該器件可以提供 0.15 A 連續(xù)電流（最大可達(dá) 2.7 A），額定儲(chǔ)能容量為 40 mWh。與 HS 系列的所有器件一樣，該器件獲得了 UL 認(rèn)證，能極大地簡(jiǎn)化整個(gè)的產(chǎn)品審批程序。
至于同系列中容量更大的混合型超級(jí)電容器，HS1625-3R8227-R 則是一款長(zhǎng) 27 mm、直徑 16.5 mm 的圓柱形 220 F 器件，ESR 為 100 mΩ，可提供高達(dá) 1.1 A 的連續(xù)電流和 15.3 A 峰值電流。其總儲(chǔ)能容量為 293mWh。
Eaton 混合超級(jí)電容器集出色的容量、性能和物理規(guī)格于一體，非常適合為智能電表中的無線鏈路提供獨(dú)立的脈沖電源或與電池并聯(lián)運(yùn)行。這類超級(jí)電容器也非常適合在工業(yè)過程、可編程邏輯控制器的短暫停電或停電期間用作“穿越”電源，從而避免即使是短暫的電源問題也會(huì)導(dǎo)致的、往往是漫長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。同樣，這些器件可以在此類電源中斷期間向數(shù)據(jù)中心的易失性緩存存儲(chǔ)器、服務(wù)器和多盤 RAID 存儲(chǔ)器供電。
結(jié)語
對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，混合型超級(jí)電容器因其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及較高的工作電壓，成為儲(chǔ)能和送電的極好選擇。與標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器相比，由混合型超級(jí)電容器構(gòu)建的設(shè)計(jì)可能只需要更少的電池和更小的體積；與單獨(dú)使用電池相比，能更好地滿足溫度和壽命要求。通過權(quán)衡和折中來解決難題，這類混合器件使設(shè)計(jì)工程師能夠更容易地實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目目標(biāo)。
來源：Bill Schweber，DigiKey
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