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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( 五 )


相比于利用充电电池收集能量 ， 使用一次电池有以下三个优点 ， 甚至可以附加超级电容器来支持脉冲电流缓冲：
? 消除了能量收集换能器本身的成本及其长期生存能力的不确定性
? 消除了与有限的充放电循环次数相关的电池管理问题以及对放电深度和工作温度的依赖
? 简化了电源管理子系统
总结
设计一种能持续供电数十年且不需要管理或干预的电源 ， 是一项十分有挑战性的要求 。对于许多基于传感器的物联网应用中采用超低电流和功率的设计来说 ， 即便其要求相对不高 ， 情况也是如此 。
虽然利用充电电池收集能量是一种较显而易见、或许是更直观的能量收集选择 ， 但是只使用低钝化LiSOCl 2 一次电池（针对低电流应用）或者将化学电池与超级电容器结合使用（针对脉冲式低占空比负载）也是一种出色的替代方案 。#电池#超级电容器#功率收藏
? 转换（使用某种换能器）
? 储存（供以后使用）
? 分配（将电力高效地输送到所需的电路）
能量收集的第一个挑战是确定可供利用的最可行的能量来源 。常见来源包括太阳能、风能、水力、热差、废热或磁感应 。另一个来源是某种形式的微小振动或运动 ， 步行、建筑物的地面振动或电机振动都能引起这样的运动 。
需要注意的是 ， 尽管能量和功率这两个术语经常互换使用 ， 尤其是在公众当中 ， 但二者是有关联但不同的概念 。能量是做功的能力 ， 而功率是收集或消耗能量的速率 。因此 ， 能量是功率对时间的积分 ， 而功率是能量对时间的导数 。在能量收集系统中 ， 收集和储存的能量必须等于或大于功率积分 ， 否则系统将没有足够的功率来长期运作 。换句话说 ， 能量的总体消耗速率（即功率）不能高于一段时间的收集速率 。
一旦确定了要收集的能量来源 ， 就需要换能器来捕获并将其转化为电能 。这种换能器有很多形式 ， 微型涡轮机、太阳能电池（或面板）或压电晶体便是其中几种 。下一步是确定如何储存这种不稳定、常常不可预测而且数量通常很小的能量 ， 以便可以在需要时从中获取能量来为电子设备供电 。
电池、超级电容器还是二者兼用？
可行的储能方案有两种：充电电池或超级电容器 ， 后者的正式名称是双电层电容器(EDLC) 。使用充电电池还是超级电容器 ， 在很大程度上取决于应用的规模、持续时间和占空比 。
一般而言 ， 标准（非超级）电容器可以提供大功率值 ， 但每单位体积只能储存相对少量的能量 。相反 ， 电池可以储存大量能量 ， 但额定功率较低 。超级电容器介于两者之间 ， 其在能量和功率之间取得了平衡 。
与电池相比 ， 超级电容器具有许多优点：超级电容器使用物理电荷储存技术 ， 而不是化学反应 ， 因此可以非常快速地充电和放电（毫秒至秒）与电池不同 ， 超级电容器的充放电循环寿命几乎无限 ， 因为它不依赖于化学反应超级电容器的电荷管理比电池更简单 ， 前者仅需要充电电流和过压保护(OVP) ， 而后者需要比较复杂且与化学有关的恒流和恒压充电算法
例如 ， KEMET的 FC0V474ZFTBR24 是一款47毫法拉(mF) 超级电容器 ， 装在一个密封小罐中 ， 高10.5毫米 (mm) ， 直径8.5mm ， 标称额定电压为3.5V（图1） 。万一密封泄漏（不大可能发生） ， 也只会释放出无害的水蒸气（气体） ， 原因是电解液（稀硫酸）中的液态水相变为气态 。
图1：KEMET的FC0V474ZFTBR24型超级电容器是一款3.5V、47mF元件 ， 装在密封罐中 ， 高度仅10.5mm ， 直径为8.5mm 。（图片来源：KEMET Corp.）
充电电池可用于某些较长期运行的情况 ， 最适合于电流消耗低但相对恒定、无高峰值、低占空比的应用 。有些设计将充电电池与超级电容器搭配使用 ， 电池对电容器进行涓流充电 ， 而电容器提供峰值负载电流 。
对于大多数长期应用而言 ， 在电气特性以及单位体积和重量的能量密度方面 ， 锂离子(Li-ion) 化学电池是众多可用标准化学电池中的最佳选择 。


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