儲(chǔ)能設(shè)備為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電

近年來，用于監(jiān)測和控制設(shè)施或設(shè)備，或觀察環(huán)境或空間的傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了廣泛關(guān)注。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)將具有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、一個(gè)電源和通信功能。從節(jié)點(diǎn)收集信息是通過有線或無線連接完成的。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是機(jī)器對機(jī)器 （M2M） 連接、家庭能源管理系統(tǒng) （HEMS）、建筑能源管理系統(tǒng) （BEMS）、工業(yè)監(jiān)測和控制，當(dāng)然還有物聯(lián)網(wǎng)的正確技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)）。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)：配置和問題

無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要有蓄電設(shè)備、傳感器、無線通信芯片、天線和微控制器，安裝后需要繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)行，直到電池耗盡。

圖 1：圖表顯示了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的示例配置。

典型的蓄電裝置包括雙電層電容器和一次或二次電池。一次電池是不可充電的，有錳、堿錳、氧化銀和鋰版本。二次可充電電池類型包括鉛、鎳鎘、鎳氫和鋰離子。電池以電化學(xué)方式儲(chǔ)存能量，其中化學(xué)反應(yīng)釋放電載體。也可以使用大容量電容器，例如雙電層電容器或超級電容器，并且可以反復(fù)充電。

如果將一次電池用作蓄電裝置，可以以較低的成本構(gòu)建系統(tǒng)，但需要定期更換電池，并且需要預(yù)測電池消耗的電量。如果傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗極低，電池可能會(huì)持續(xù) 20 年而不會(huì)成為問題。然而，尤其是在規(guī)模更大、配置的無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，情況并不常見，電池更換的維護(hù)成為一個(gè)大問題。特別是，無線節(jié)點(diǎn)將不使用原電池，因?yàn)樗璧膫鬏敼β史浅８撸⑶胰绻麤]有巨大的原電池，該節(jié)點(diǎn)的壽命將非常短。

能源供應(yīng)解決方案

近年來，已經(jīng)嘗試開發(fā)具有可充電存儲(chǔ)設(shè)備的能量收集。正在使用使用自然能源的發(fā)電設(shè)備，例如陽光、振動(dòng)和熱。但是，當(dāng)然，能夠集成到小型設(shè)備中的設(shè)備只能確保少量電力。所使用的蓄電裝置需要能夠充滿電，即使是低容量的電源，并且能夠長時(shí)間保持能量而不泄漏。此外，即使在多次充電和放電之后，存儲(chǔ)設(shè)備的性能也需要保持。不同類型的二次電池和雙電層電容器各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前只有少數(shù)這些器件能夠滿足所有適用于能量收集的條件。

應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)

超級電容器提供了一些很大的優(yōu)勢。它利用電極上的電荷與界面處電解質(zhì)中的離子之間的物理電荷分離現(xiàn)象。它們可以比電池更快地釋放能量，并且可以循環(huán)數(shù)十萬次而不會(huì)大大影響性能。同時(shí)，超級電容器的能量密度遠(yuǎn)低于鋰離子電池——至少低 20 倍。有許多超級電容器/電子雙層電容器可供選擇——制造商包括 Murata、Taiyo Yuden、Illinois Capacitor、Vishay、NIC Components、Maxwell Technologies、KEMET、Cornell Dubilier、Nichicon、Eaton、AVX、Panasonic 和 Elna。

在超級電容器和蓄電池的變體中，村田電子制造了一種名為 UMAC （UMAC040130A003TA01） 的小型能源設(shè)備。與傳統(tǒng)的鋰離子電池不同，它是一種使用鈦酸鋰作為正極材料的鋰離子二次電池。它的設(shè)計(jì)允許高速率或低速率充電和放電、長壽命和更高的安全水平。

圖 2：基本 UMAC 規(guī)范。

圖 2 顯示 UMAC 的產(chǎn)品規(guī)格。它采用單一尺寸，容量為 3 mAh，標(biāo)稱電壓為 2.3 V，最大連續(xù)放電電流為 30 mA （10C）。UMAC 的功率密度是通用鋰離子電池的 10 倍，能量密度也差不多。它適用于需要高達(dá) 30 mA 電源的節(jié)省空間的應(yīng)用。另外，通常鋰離子電池充電時(shí)，出于安全考慮，需要控制充電電流，充電時(shí)間較長。UMAC在充電時(shí)不需要仔細(xì)控制電流，可以恒流充電，適用于需要快速充電的應(yīng)用。與某些超級電容器相比，UMAC 確實(shí)具有 0.8 Ω 的較高 ESR，這限制了其放電速率或功率密度。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能要求

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電力存儲(chǔ)設(shè)備需要四個(gè)屬性。第一個(gè)特性是循環(huán)壽命長，無需定期維護(hù)。圖 3 顯示了 UMAC 器件的放電容量保持率與充電/放電循環(huán)的關(guān)系。如果 1 個(gè)循環(huán)的放電量為 50%，則在 5，000 次充電/放電循環(huán)后仍可保持 90% 或更多的容量。如果放電量小于該值，則循環(huán)壽命進(jìn)一步增加。如果每天進(jìn)行一次放電，5000 次循環(huán)相當(dāng)于大約 13 年，因此，UMAC 應(yīng)該能夠?yàn)槊饩S護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)做出貢獻(xiàn)。

圖 3：多次充電/放電循環(huán)后的 UMAC 容量率。

第二個(gè)特性是即使從弱電流源也能充電并長時(shí)間保持能量的能力。能量收集設(shè)備通常以相對較高的阻抗提供低電流。需要長時(shí)間保留產(chǎn)生的稀有能量而不泄漏。在圖 3中，我們顯示了充電容量保持率。UMAC 器件在充滿電后 90 天不接觸，可保留 88% 的容量，其漏電流經(jīng)計(jì)算約為 0.17 μA。即使使用非常低的 5 μA 電流，它也可以充滿電。

圖 4：UMAC 長期容量保持和 5-μA 充電特性。

可能需要的第三個(gè)特性是相當(dāng)高的放電率。如果蓄電裝置可以充分充電，但不能滿足系統(tǒng)的峰值負(fù)載，則需要電容器等峰值輔助裝置，使系統(tǒng)復(fù)雜化。UMAC 可以以高達(dá) 30 mA （10C） 的電流放電，因此它可以用作藍(lán)牙低功耗 （BLE） 和 ZigBee 等近場通信的電源，以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。與鋰離子電池不同，該設(shè)備在低溫下也很有效，因此可以在寒冷氣候的戶外使用。UMAC 可以處理快速脈沖放電，即使在低溫下也是如此。

第四個(gè)必需屬性是充電開始后立即使用的能力。在電容器中，存儲(chǔ)的電荷量與電容器兩端之間的電壓成正比，因此，從充電開始到系統(tǒng)開始運(yùn)行之間存在時(shí)間滯后。相比之下，UMAC 允許系統(tǒng)立即投入運(yùn)行，因?yàn)樗卿囯x子電池，當(dāng)充電至百分之幾時(shí)將達(dá)到其 2.3 V 的標(biāo)稱電壓?！?/p>