【導(dǎo)讀】對于設(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、長運(yùn)行壽命
在過去幾年里，可以從相對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到安培級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。
對于這些工作條件，設(shè)計(jì)者通常會考慮兩種儲能技術(shù)：鋰離子電池的某些變體或超級電容器。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。對于設(shè)計(jì)人員來說，這些電池相對平坦的放電曲線簡化了電路實(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)來儲能的。這些器件在陽極和陰極兩側(cè)都有活性炭電極，是對稱的。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，超級電容器的輸出電壓隨著它放棄所儲存的電荷而穩(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)方式最簡單，但超級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。
● 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。
混合型超級電容器的案例
混合型超級電容器將電池和超級電容器的基本結(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獨(dú)特的電池和超級電容器簡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。
混合型超級電容器是由摻鋰石墨陽極和活性炭陰極組成的非對稱器件。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，使得混合型超級電容器不會產(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：混合型超級電容器的輸出放電曲線介于電池和標(biāo)準(zhǔn)超級電容器之間。（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)儲能解決方案都會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)的儲能方案的正 (“+”) 和負(fù) (“-”) 屬性。
表 1：電池、超級電容器和混合型超級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電容器電池中的 30 F 單元，長 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電容器，HS1625-3R8227-R 則是一款長 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。其總儲能容量為 293mWh。
Eaton 混合超級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導(dǎo)致的、往往是漫長的停機(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器、服務(wù)器和多盤 RAID 存儲器供電。
結(jié)語
對于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，混合型超級電容器因其能量密度高、循環(huán)壽命長以及較高的工作電壓，成為儲能和送電的極好選擇。與標(biāo)準(zhǔn)超級電容器相比，由混合型超級電容器構(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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