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還在為物聯(lián)網(wǎng)電源設(shè)計(jì)犯愁?試試這個(gè)方法!

發(fā)布時(shí)間:2023-02-13 來(lái)源:DigiKey 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),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(lèi)大型應(yīng)用產(chǎn)品越來(lái)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(chēng)為超級(jí)電容器的雙電層電容器 (EDLC)。問(wèn)題在于,無(wú)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(kāi)發(fā)人員針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)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(lái)說(shuō),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(guò)程更簡(jiǎn)單,開(kāi)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(lái)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(guò)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(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō),無(wú)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(yáng)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(guò)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(lái)說(shuō),這些電池相對(duì)平坦的放電曲線(xiàn)簡(jiǎn)化了電路實(shí)施(圖 1)。


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圖 1:典型鋰離子電池的放電周期曲線(xiàn)顯示,在電池接近完全放電之前整個(gè)過(guò)程中,輸出電壓幾乎保持恒定不變。(圖片來(lái)源:Eaton – Electronics Division)


相比之下,EDLC 是通過(guò)物理過(guò)程而不是化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)能的。這些器件在陽(yáng)極和陰極兩側(cè)都有活性炭電極,是對(duì)稱(chēng)的。電極的充電和放電是靜電過(guò)程,沒(méi)有化學(xué)反應(yīng),其循環(huán)壽命實(shí)際上是無(wú)限的。與電池相反,電極端電壓是所輸送電能的函數(shù),呈線(xiàn)性下降關(guān)系(圖 2)。


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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(lái)源:Eaton – Electronics Division)


EDLC 技術(shù)是無(wú)源元件世界中一項(xiàng)比較新的開(kāi)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(guān)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(lái)了新的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù),并最終形成了被稱(chēng)為超級(jí)電容器的器件,它在一個(gè)與其他基本無(wú)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)。


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圖 3:設(shè)計(jì)人員可以在三種常見(jiàn)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(guò)控制器/穩(wěn)壓器進(jìn)行組合。(圖片來(lái)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(wú)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(wú)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(mǎn)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(yáng)極和活性炭陰極組成的非對(duì)稱(chēng)器件。雖然充電過(guò)程主要是通過(guò)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)。


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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(lái)源:Eaton– Electronics Division)


另外,由于沒(méi)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)。


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圖 5:混合型超級(jí)電容器的輸出放電曲線(xiàn)介于電池和標(biāo)準(zhǔn)超級(jí)電容器之間。(圖片來(lái)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。


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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(lái)源:作者,使用了來(lái)自 Eaton – Electronics Division 的數(shù)據(jù))


經(jīng)驗(yàn)豐富工程師都知道,沒(méi)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(lái)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(zhuān)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)。


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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(lái)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(wú)線(xiàn)鏈路提供獨(dú)立的脈沖電源或與電池并聯(lián)運(yùn)行。這類(lèi)超級(jí)電容器也非常適合在工業(yè)過(guò)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(wèn)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(lèi)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(pán) RAID 存儲(chǔ)器供電。 


結(jié)語(yǔ)


對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),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(mǎn)足溫度和壽命要求。通過(guò)權(quán)衡和折中來(lái)解決難題,這類(lèi)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(lái)源:Bill Schweber,DigiKey



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