薄膜電池將成為能量收集應(yīng)用的存儲首選

替代能源間歇性地提供少量電力，有時(shí)電力水平可能與依賴它們的應(yīng)用的需求不匹配。需要某種形式的能量存儲，但解決方案將隨應(yīng)用的需求而變化。本文將研究各種能量緩沖解決方案，包括小型電池，薄膜電池和超級電容器，重點(diǎn)介紹它們的規(guī)格和最適合的應(yīng)用。

供應(yīng)方

正如半導(dǎo)體緩沖器平滑處理器和存儲器之間的數(shù)據(jù)流一樣，能量收集源與其相關(guān)應(yīng)用之間需要某種形式的緩沖。所需的緩沖量與供需之間的不匹配成比例地增加。

在供應(yīng)方面，不同能量收集源的可用電量存在很大差異（見表1）。除環(huán)境射頻外，典型的能量收集設(shè)備可以提供10μW至1 mW的任何功率，但很少穩(wěn)定。太陽能顯然只有在太陽出來時(shí)才有效;振動/運(yùn)動源僅在電機(jī)開啟或被監(jiān)控人員移動時(shí)起作用;熱源僅在有可靠的熱源和散熱器時(shí)才能工作，以產(chǎn)生熱發(fā)電機(jī)（TEG）所需的溫度梯度。

源電源采集電源燈 - 室內(nèi)0.1 mW/cm210μW/cm2燈 - 室外100 mW/cm210mW/cm2振動/運(yùn)動 - 人體0.5 m，1 Hz

1 m/s250Hz4μW/cm2振動/運(yùn)動 - 機(jī)器1 m，5 Hz

10 m/s2in1 kHz100μW/cm2熱 - 人20 mW/cm230μW/cm2熱 - 機(jī)器100 mW/cm21至10 mW/cm2RF - GSM BSS3μW/cm20.1μW/cm2

另一個限制因素是大多數(shù)能量清除裝置的低效率。再看表1，理論上可用的源功率與使用當(dāng)前可用設(shè)備可以獲得的實(shí)際功率之間通常存在幾個數(shù)量級的差異。這個問題可以通過并行添加更多太陽能電池或TEG來解決，例如，如果您的應(yīng)用允許它。但是，您正在處理微功率源，并且您可以使用它們進(jìn)行限制。

在許多情況下，您可以通過利用各種來源增加收獲的能量。例如，建筑物上的遠(yuǎn)程無線應(yīng)變傳感器可能將小型太陽能電池與TEG結(jié)合在一起;在橋路基上，類似的設(shè)備可能將TEG與振動傳感器結(jié)合在一起。如果您的應(yīng)用可以結(jié)合光，振動和熱能源，它可以通過僅收獲這些能源無限期運(yùn)行。

需求方

對供應(yīng)有限的明顯反應(yīng)是限制需求。如果隨著時(shí)間的推移，您的設(shè)備的能量需求等于或小于您的能量收集源所能提供的能量，那么該設(shè)備應(yīng)該能夠無限期地獨(dú)立運(yùn)行。如果供應(yīng)不足，那么在這種情況下，你需要考慮設(shè)備在注意之前是否能夠運(yùn)行的時(shí)間;如果沒有，那么能量收集源可能不是解決方案的一部分。

無線遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重依賴能量收集。為了最大限度地降低功耗，它們通常盡可能頻繁地關(guān)閉微控制器電源，僅喚醒以檢查信標(biāo)并快速突發(fā)數(shù)據(jù)每秒幾微秒。此外，它們還采用小型低功耗軟件堆棧，如ZigBee?和Bluetooth?低功耗。一些公司甚至創(chuàng)建了自己的小型專有RF協(xié)議，例如德州儀器的SimpliciTI?和Microchip的MiWi?。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)突出了對能量緩沖的需求，因?yàn)樵?a target="_blank">MCU處于睡眠狀態(tài)時(shí)，傳輸期間的電流需求通常是所需的10到100倍。在這些應(yīng)用中，電容器甚至超級電容器通常放置在電源線中，以便能夠處理突然的電流浪涌。沒有這種保護(hù)，薄膜電池可能會永久性損壞。

大電流電池

如果您的應(yīng)用具有特別高但很少的電流要求 - 例如，周期性循環(huán)的小型電動機(jī) - 微型鉛酸電池可能會填補(bǔ)這一空白。 EnerSys Cyclon 0810-0004 2 V薄板密封鉛電池，260 mA時(shí)可提供2.5 Ah電流。直徑僅為1.35英寸，高2.41英寸，吸收的玻璃墊（AGM）Cyclon電池可以適合最小的嵌入式應(yīng)用。

鉛酸電池有自己獨(dú)特的充電要求。過度充電或反復(fù)完全放電這些電池會顯著縮短其預(yù)期壽命。鉛酸電池的循環(huán)壽命是放電深度（DOD），溫度和充電速率的函數(shù)。根據(jù)EnerSys的說法，Cyclon電池的壽命可以從300到2，000多次充電/放電循環(huán)。如果保持適當(dāng)?shù)某潆姞顟B(tài)，Cyclon電池可以持續(xù)長達(dá)十年。

由于鉛酸電池的輸出電壓隨充電狀態(tài)而變化（見圖1），因此電池和應(yīng)用之間的充電控制電路和電壓調(diào)節(jié)都是必要的。

鉛酸電池價(jià)格低廉，非常適合可能承受極端溫度的戶外應(yīng)用。

硬幣電池

小型鋰離子紐扣電池不可充電，但它們?nèi)匀豢梢杂糜谑占h(huán)境能源的低功率設(shè)備。低功耗傳感器應(yīng)用可以通過能量收集源供電 - 它們的能量存儲在電容器或薄膜電池中 - 當(dāng)這些源不可用時(shí)切換到紐扣電池。這種布置可以大大延長紐扣電池的壽命。

與鉛酸電池相比，由于自放電率非常低，鋰離子紐扣電池的放電曲線非常平坦（見圖2）。例如，無處不在的CR2032額定電壓為3.0 V，225 mAh，建議連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載為0.2 mA。圖2顯示電池電壓保持相對平坦，同時(shí)向15kΩ負(fù)載提供190μA超過1，000小時(shí)，之后很快就會失效。

圖2：CR2032紐扣電池的放電特性（由Panasonic提供）。

錳鋰電池 - 與鋰離子電池不同 - 是可充電的，這使它們非常適合能量收集應(yīng)用。 Panasonic ML-1220/F1AN是一款可充電的SMD紐扣電池，額定電壓為3.0 V，電流為17 mAh，電流為30μA。雖然其放電特性（見圖3）與CR2032類似，但ML-1220可在10％的充電狀態(tài)和額定容量之間承受1，000次充電/放電循環(huán)。該器件在1.2 mA或更低時(shí)需要2.8至3.2V的固定電壓充電。通過能量清除源和電池之間的電壓調(diào)節(jié)器，這對于這種微功率源來說應(yīng)該是一個相當(dāng)容易的目標(biāo)。

圖3：Panasonic ML-1220錳鋰電池的放電特性（由Panasonic提供）。

紐扣電池，無論是否可充電，如果不是大多數(shù)基于能量收集的應(yīng)用，都是很自然的選擇。如果您的應(yīng)用程序功耗足夠低，即使CR2032也可以使用長達(dá)十年，因此充電能力可能不是問題。例如，在您正在閱讀本文的計(jì)算機(jī)中維護(hù)BIOS配置數(shù)據(jù)的紐扣電池應(yīng)該可以使用長達(dá)十年。一般人在十年內(nèi)沒有更換電腦的可能性接近于零。

當(dāng)應(yīng)用需要的功率超過標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池可以提供足夠長的時(shí)間時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮將ML-1220等可充電錳鋰紐扣電池與能量收集電源相結(jié)合。

薄膜電池

對于需要無限期運(yùn)行的超低功耗設(shè)備，薄膜電池是與能量收集源一起使用的天然存儲選擇。 Cymbet的固態(tài)表面貼裝薄膜EnerChip?電池在能量收集應(yīng)用中越來越多地與小型PV電池配對。 Cymbet EnerChip CC CBC3112-D7C-TR1額定電壓為3.3伏，容量為12μAh，50μA。這些顯然是非常小的電池，因此它們針對超低功耗應(yīng)用，如無線傳感器，RFID標(biāo)簽和實(shí)時(shí)時(shí)鐘NV-SRAM的備用電源。 CBC3112采用20引腳，7 mm x 7 mm方形雙扁平無引線（DFN）封裝，厚度僅為0.9 mm。

EnerChip CC設(shè)備包含內(nèi)置電源管理器，溫度補(bǔ)償充電控制和內(nèi)置儲能保護(hù)。在正常操作期間，芯片使用內(nèi)部電荷泵以2.5至5.5伏的電壓為受控電壓充電。當(dāng)主電源電壓低于用戶定義的閾值電壓時(shí)，EnerChip CC會發(fā)出此事件信號，并將EnerChip電壓路由至VOUT，以保持MCU或其他電路的持續(xù)供電。單個EnerChip CC最多可以為10個并行連接的EnerChip充電。

EnerChip CC的放電特性（見圖4）與鋰離子紐扣電池非常相似，輸出電壓在最終從懸崖上掉落之前基本保持平坦。但是，CBC 3112可承受超過5000次充電/放電循環(huán)，在10分鐘內(nèi)從10％充電至80％充電狀態(tài)。

圖4：EnerChip放電特性（禮貌Cymbet）。

對于那些希望進(jìn)一步研究這項(xiàng)技術(shù)的人，Cymbet提供CBC3112的Cymbet評估板和Cymbet Enerchip CC評估套件。

Infinite Power Solutions（IPS）提供一系列可充電的THINERGY?微電池（MECs），針對能量收集應(yīng)用的固態(tài)電池。 THINERGY MEC225-1S提供標(biāo)稱4.1伏特，容量為130μA時(shí)為65μA。這些器件的尺寸僅為12.7 mm x 12.7 mm x 0.2 mm，絕對值得稱為薄型。

THINERGY MECs利用鋰鈷氧化物（LiCoO2）陰極和鋰金屬陽極以及稱為LiPON（鋰磷氮氧化物）的固態(tài)電解質(zhì)，使其具有與其他鋰基電池類似的放電曲線（見圖5）雖然有一些重要的區(qū)別。

圖5：THINERGY MEC225在250℃時(shí)的典型放電曲線（由無限電力解決方案提供）。

THINERGY MECs在能量收集應(yīng)用方面具有許多優(yōu)勢。它們具有100，000個充電放電循環(huán)的額定循環(huán)壽命，從10％的放電深度開始，具有典型的應(yīng)用負(fù)載;它們可以在15到20分鐘內(nèi)充電到90％的充電狀態(tài)。 THINERGY MEC系列產(chǎn)品中最小的器件MEC-225可在25°C時(shí)提供高達(dá)7 mA的放電率和每年1％的超低自放電率。特別感興趣的是它們能夠接受1μA的充電電流，并且在除最小微電源之外的所有微電源范圍內(nèi)。

IPS制造無限功率解決方案能量收集評估板，其中包括一個4伏0.7 mAh THINERGY MEC，一個小型太陽能電池和相關(guān)電路，使您能夠嘗試太陽能收集應(yīng)用。

超級電容器

為了能夠處理突然的電流浪涌 - 例如當(dāng)靜態(tài)無線傳感器節(jié)點(diǎn)突然傳輸數(shù)據(jù)突發(fā)時(shí) - 薄膜電池在其輸出端采用大電容器或超級電容器。

電氣雙層電容器（EDLC） - 也稱為超級電容器 - 其能量密度是電解質(zhì)的數(shù)百倍。它們的高密度是導(dǎo)電層非常接近的直接結(jié)果，這也導(dǎo)致非常低的擊穿電壓。超級電容器具有比電池更低的能量密度，但是具有更高的功率密度，因?yàn)榕c電池不同，它們幾乎可以瞬間放電。

太陽誘電PAS414HR-VG1是一款3.3伏，60 mF表面貼裝紐扣電池EDLC，直徑僅4.8 mm，高1.4 mm。 PAS414HR-VG1的容量為20μAh，電壓范圍為3.3 V至2.0 V，放電至1.0 V時(shí)約為40μAh。

圖6顯示了PAS414HR-VG1在不同負(fù)載條件下的充電/放電特性。曲線突出了能量收集應(yīng)用中超級電容器的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從好的方面來說，它們具有非?？斓某潆姾头烹娝俾?，后者是偶爾需要高峰值功率傳輸?shù)膽?yīng)用中的關(guān)鍵優(yōu)勢。在不利方面，它們的輸出電壓在放電時(shí)會迅速下降，通常需要一個降壓升壓穩(wěn)壓器來確保它們所連接的電源的恒定輸出。

6：PAS414HR-VG1超級電容器的充電/放電特性（由Taiyo Yuden提供）。

超級電容器往往會遭受內(nèi)部泄漏，導(dǎo)致自放電率比電池或電容器快得多。因此，它們通常與電池一起使用以緩沖電源的負(fù)載并在需要時(shí)提供峰值功率。它們在能量收集解決方案中增加了電池，它們不會取代它們。

哪種存儲介質(zhì)最好？

雖然承認(rèn)紐扣電池（可充電電池和非充電電池）和超級電容器在各種應(yīng)用中的優(yōu)勢，但I(xiàn)nfinite Power Solutions強(qiáng)調(diào)薄膜電池在能量收集應(yīng)用中的優(yōu)勢。表2簡要概述了每種主要技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。

可充電電池 - 電池電池超級電容器THINERGY MEC容量1 - 100 mAh 0.1 - 1500 F100μAh - 2.5 mAh最大連續(xù)電流5μA - 40 mA10μA - 200 A 7.5 mA - 100 mA工作溫度范圍-20°C至60°C -40°C至70°C -40°C至85°C尺寸（mm）4-30（深）x 1.6-7.7（H）10 x 20 x 2 13x13至25x51充電周期（80％DOD時(shí)80％原裝容量）500 - 1000》 100，000》 10，000單價(jià)（高容量）?$ 1~ $ 2 - $ 10~ $ 3 - $ 10自放電率（室溫）10％/年》 90％6-7天1％/年接收電荷最小電流》10μA》35μA《100 nA

傳統(tǒng)的可充電電池是交流電源的理想選擇。鉛酸電池是最便宜和最耐用的，盡管它們具有比鋰基可充電電池更高的自放電率，更低的能量密度和更短的循環(huán)壽命。

超級電容器在處理能量浪涌方面表現(xiàn)優(yōu)異，但與可充電紐扣電池和薄膜電池相比，它們具有許多缺點(diǎn)，包括：

高內(nèi)部漏電流導(dǎo)致電池相對較快放電;

放電期間電壓線性下降;在放電過程中線性降低;

高溫下降解和壽命短;

尺寸大，能量密度差;

串聯(lián)連接時(shí)需要進(jìn)行電荷平衡電壓;

由于退化和使用壽命問題而更頻繁更換。

薄膜電池在小型電池供電設(shè)備中具有眾多優(yōu)勢，包括高能量密度，小尺寸，最小化充電要求，放電期間的電壓穩(wěn)定性和低自放電率。然而，它們也有許多缺點(diǎn)，包括高成本，有限的存儲容量，有限的浪涌能力，以及它們可以容忍的最小和最大電壓水平的一些脆弱性 - 盡管后者通常由伴隨的電源管理IC（PMIC）處理）。

對于依賴能量收集的低功耗應(yīng)用而言 - 特別是在尺寸比成本更重要的情況下 - 薄膜電池將成為首選的存儲介質(zhì)。