如何让物联网传感器工作数十年——通过能量收集还是使用电池

由于超低功耗 IC 的出现，导致基于传感器的电路和系统广泛使用，而且这些电路和系统运行电流仅需几微安或几毫安即可。这些产品的应用包括环境监测（安全、温度、地震）、资产跟踪、电能/功率计量、医疗监护等等。

许多此类装置需要工作十年、二十年或更长时间，但要为其更换电池常常很困难或不可能办到。更换电池的成本常常也非常高昂。

因此，设计人员必须妥善考虑各种选择或选择组合以做出正确决定，具体选择包括：

• 能量收集
• 具有能量收集功能的可充电（二次）电池
• 超长寿命非充电（一次）电池
• 带超长寿命一次电池的超级电容器

本文将探讨这些设计人员可以使用的选择及取舍。在此过程中，本文将介绍 Tadiran、Analog Devices、KEMET 和 Texas Instruments 的相关解决方案及其使用方法。

能量收集是明智选择吗？

明智与否当然要取决于具体应用。可以肯定的是，能量收集是一种有吸引力且广泛使用的供电技术。初看之下，其成本似乎很低或没有成本。它有四个关键要素：

• 能量产生（来源）
• 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 8.5 mm，标称额定电压为 3.5 V（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 3.5 V、47 mF 元件，装在密封罐中，高度仅 10.5 mm，直径为 8.5 mm。（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。

但是，不同的锂化学电池，其输出电压、充电/放电特性、电压与剩余电容的关系、工作温度范围、充电/放电循环次数等性质存在重大差异。同其他电池规格一样，循环次数也取决于每次循环的放电深度。表 1 概要显示了两种广泛使用的二次电池——镍镉（NiCad 或 NiCd）和锂离子——以及两类基本大容量电容器的主要特性。

表 1：充电电池和电容器具有不同的主要特性组合。（图片来源：KEMET Corp.）

对于需要持续运行超长时间的应用，确定储能元件所需的毫安时 (mAh) 额定容量在概念上很简单，但在实践中却很难。虽然一级分析基于所需功率（包括静态、稳态和脉冲模式）的积分，但在使用这些器件进行设计时，还有更多考虑因素。例如，内部等效串联电阻 (ESR) 引起的损耗和温度相关的性能降级等问题，便是各种必须考虑的因素之中的两个。因此，需要仔细研究电池或超级电容器规格书及其大量图表。

系统电源管理：持续的挑战

无论是选择电池、超级电容器还是同时使用，对从收集换能器到储能元件的能量流以及之后将其传输到负载的过程进行管理，是一个关键设计问题。此功能必须确保以最大效率将所收集的能量（通常非常小）转移到储能元件，同时又不会因过度充电而缩短电池寿命。管理功能还必须在需要时计量传送到负载的电流，而其本身消耗的功率应非常小。此外，管理功能必须管理放电周期以避免深度放电，因为深度放电会减少全容量充放电循环次数。

在输出端，管理器还必须实现 DC/DC 稳压，这样，尽管储能元件电压和负载需求发生变化，负载轨仍会保持恒定电压。根据所选择的电池或电容器，在负载需求范围内，此稳压功能可以使用降压或升压模式。当储能元件的输出电压会从所需直流电源轨电压以上变到以下时，稳压功能也可以使用降压/升压组合式稳压器。

例如，Analog Devices 的 LTC3331EUH＃PBF 是一款带有能量收集电池充电器的毫微功率降压/升压 DC/DC 稳压器，针对太阳能电池的较高电源电压进行了优化（图 2）。但是，它也可以与低压电源一起使用，构成带备用电池的完整能量收集解决方案的基础。LTC3331 采用 5 mm x 5 mm QFN-32 微型封装，具有双路输入（例如将太阳能和压电作为收集来源）和一个确定两路输入优先级的单路输出 DC/DC 稳压器。

图 2：Analog Devices 的 LTC3331 可以处理两个收集来源并确定其优先级，而且能平衡两个超级电容器和一个电池，同时以高达 50 mA 的电流提供 1.8 V 至 5 V 的电压（左）。图中还显示了 LTC3331 从收集的能量为电池充电时的时序（右）。（图片来源：Analog Devices）

收集的输入可以在 3.0 V 至 19 V 之间，而电池电压最高可达 4.2 V；在 50 mA 时，稳压输出轨可以设置为 1.8 V 至 5 V。它还支持串联使用两个超级电容器，并通过自动电池平衡来提高储能量和效率。

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 10 mA 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 950 nA。

长期供电问题已经解决——或者也许没有解决

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 (LiSOCl₂) 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 LiSOCl₂ 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 LiSOCl₂ XOL 系列在 20 年后还有 86% 的额定容量（左）。LiSOCl₂ 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 (LMNO₂) 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 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 LiSOCl₂ XOL 系列在 20 年后还有 86% 的额定容量（左）； Tadiran 的 LiSOCl₂ XTRA 系列在 10 年后的容量为 80%，而其他化学电池已降至 70%（中）；LMNO₂ 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）

LiSOCL₂ 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”。

理论上，钝化层的厚度可以通过设计和制造来增加，以进一步限制自放电，但这样一来，当负载电流较高时，电池将无法正常供电。因此需要取舍：要么接受低自放电率，但仅限于低耗电量的应用，要么进一步增加自放电率，但在较高耗电量下电池的使用时间会缩短（对于给定的额定容量）。

有些电池针对超低耗电量应用进行了优化。请考虑 Tadiran XLO 系列中的 TL-4902/S ½ AA 型 LiSOCl₂ 一次电池，长度仅 25 mm，直径为 14.5 mm。这种圆柱形电池的端电压为 3.6 V，标称容量为 1.2 Ah，工作电流为 0.5 mA，工作电压可低至 2 V（图 4）。输出电压不随时间而变化，在较低耗电量水平下使用时间会大幅增加，在 10 微安 (µA) 时达到 100,000 小时。

图 4：Tadiran 的 TL-4902/S LiSOCl₂ 一次电池可以持续提供 10 µA 电流 100,000 小时，而输出电压不会降低。（图片来源：Tadiran Batteries）

脉冲电流应用怎么样？

请注意，“穿透”钝化层需要数毫秒时间，当负载电路需要电流时，实际上会出现瞬时压降，然后缓慢上升至标称输出电压。因此，为了最大限度地延长这些电池的使用寿命，不应将其用于脉冲负载，而应当用作连续低电流源。

虽说如此，但对于脉冲负载，有一个方便实用的解决方案：将这个长寿命、连续放电、低电流电池与超级电容器结合使用。在这种情况下，电路配置如下：电池以低速率给超级电容器连续充电，而超级电容器用来提供较高的脉冲电流（图 5）。实际上，这种方案使用电池作为要收集的能量来源，尽管这并非标准的术语用法。

图 5：设计人员可以通过一种易于管理的方式为脉冲负载获得超长持续时间的功率：使用长寿命一次电池的少量连续电流对超级电容器进行涓流充电，然后使用超级电容器来支持低占空比脉冲负载。（图片来源：Texas Instruments）

Texas Instruments 的 TPS62740 IC 非常适合于这种配置（图 6）。该降压转换器接受 2.2 V 至 5.5 V 的输入电压，静态电流规格为 360 nA，采用 2.2 微亨 (µH) 微型电感器和 10 微法拉 (µF) 输出电容器工作，可提供高达 300 mA 的电流。

图 6：Texas Instruments 的 TPS62740 降压转换器允许使用电池为小型电容器充电，这样设计人员便能以最佳方式利用每种储能器件的特性。（图片来源：Texas Instruments）

在典型应用中，LiSOCl₂ 一次电池直接连接到 TPS62740，并由微控制器控制；微控制器启用/禁用降压转换器，调节输出电压，并支持高效充电（图 7）。

图 7：将 TPS62740 与 LiSOCl₂ 一次电池和电容器结合使用，并由微控制器进行控制，可实现一个高效率、持续时间长且以低静态电流工作的电源子系统。（图片来源：Texas Instruments）

降压转换器的输出连接到两个限流电阻以处理启动过程，这对于将超级电容器预充电至最低 1.9 V 是必需的。储能电容器完成预充电后，开关便会导通，且电流会受组合电阻的限制。这种安排能够支持低占空比、大峰值电流负载（例如无线物联网节点），而且电池寿命极长，可以持续运行数十年。

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 LiSOCl₂ 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。