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物联网|能工作数十年的物联网传感器，该怎么设计？这些方案来了解一下( 三 )


降压和升压转换器由优先级控制器进行控制 。这会根据电池和/或可收集能量的可用性 ， 选择使用何种能量源 。如果收集的能量可用 ， 则降压稳压器处于活动状态 ， 降压-升压功能关闭 。板载10mA并联电池充电器具有低电量断开功能 ， 可以对备用电池充电 ， 从而大大延长了使用寿命 。静态电流是决定稳压器效率的一个关键因素 ， 在能量收集设计中尤其如此 ， 在无负载时电流仅为950nA 。
长期供电问题已经解决了吗？
由上文可知 ， 关于可用收集来源、使用电池还是超级电容器 ， 以及系统取舍的决策是很复杂的 。但是 ， 当使用收集的能源时 ， 还有两个更大的问题 ， 尤其是在电池方面 。首先 ， 充电电池的充电/放电循环次数不是无限的 。即便在最佳的充放电条件和温度下 ， 其典型循环次数也只有1000或2000次 ， 无法满足数十年的充放电需求 。
其次是一个难以量化的更大问题 ， 涉及到能量来源和换能器 。面对尘土和灰尘 ， 或者附近有人盖起房子遮挡了光线 ， 或者树木生长遮盖了电池板 ， 太阳能电池真的能得到充足的阳光并工作数十年吗？即使设置和工作环境发生了变化 ， 振动源也会一直受到激励吗？在许多实际设施中 ， 这些都是非常难以有把握地解决和确认的问题 。
在储能方面 ， 若考虑要将不可充电的一次电池使用数十年 ， 即使负载功耗为微安级或很小的毫安级 ， 这也有点违反直觉 。毕竟 ， 它不是会变干、腐蚀或发生其他长期性问题吗？但是 ， 在合适的条件下使用正确类型的一次电池 ， 实际上是一种非常可行的替代能量收集方法 。另外 ， 根据定义 ， 使用一次电池完全避免了所有与充放电循环和管理相关的问题 。
尽管如此 ， 一次电池确实会遭受不可避免的劣化现象 ， 即自放电——即使电池没有负载或物理断开 ， 也必定有少量内部泄漏电流 。对于大多数类型的一次锂基电池 ， 每年自放电量约为初始容量的3-4% 。
通过数学计算可知 ， 若自放电率为4% ， 电池容量将在约12年后下降到原始值的一半左右 ， 这还不包括因为支持负载而造成的容量损失 。由于自放电 ， 使用负载电流消耗和初始电池容量的简单计算来确定寿命就显得过于乐观 ， 坦率地说是不切实际的 。因此 ， 大多数一次电池不适合数十年的长期应用 。
然而 ， 基于锂亚硫酰氯 (LiSOCl 2 ) 化学性质并采用螺旋卷绕式内部布置和专有制造工艺的电池 ， 可以持续工作数十年而不会发生过多的自放电 。当在许多电路中以非常低的电流电平使用时 ， 再结合其低于1%的自放电率 ， 这种电池可以持续向系统供电二三十年甚至四十年（图3） 。此外 ， 电池重量也很轻 ， 但能量密度却很大：高性能LiSOCl 2 电池的重量能量密度约为650瓦时/千克 (W-hr/kg) ， 体积能量密度约为1280瓦时/立方分米 。
根据图3 ， Tadiran的LiSOCl 2 XOL系列在20年后还有86%的额定容量（左） 。LiSOCl 2 XTRA系列在10年后的容量为80% ， 而其他化学电池已降至70%（中） 。锂二氧化锰 (LMNO 2 ) 和碱性电池的年自放电率很高 ， 使用寿命达不到10年以上（右） 。
物联网|能工作数十年的物联网传感器，该怎么设计？这些方案来了解一下
图3：三种化学电池在10年和20年后的容量 ， 仅考虑自放电损耗（无负载） 。Tadiran的LiSOCl 2 XOL系列在20年后还有86%的额定容量（左）；Tadiran的LiSOCl 2 XTRA系列在10年后的容量为80% ， 而其他化学电池已降至70%（中）；LMNO 2 和碱性电池的年自放电率很高 ， 使用寿命达不到10年以上（右） 。（图片来源：Tadiran Batteries）
LiSOCL 2 自放电率低的关键原因是氯化锂(LiCl) 钝化层 ， 一旦锂与电解质接触 ， 阳极表面上就会形成该钝化层 ， 从而防止进一步的反应或容量损失 。它是一种非理想绝缘体 ， 极大地限制了自放电电流的流动 ， 但是当负载需要时 ， 则会被低电平电流部分地“推到一边” 。


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