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超级电容器可以消除传感器节点的功率需求

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        物联网(IoT)传感器节点通常需要能够维持短时间的活动爆发。然而,电池需求的突然变化可能会比预期更快地耗尽电池,给远程安装带来问题,并且可能要求使用比必要的更大,更昂贵的电池。超级电容器提供了一种方式来提供短时间的爆发活动所需的电量,而不会给电池子系统带来压力。本文探讨了超级电容器在物联网设计中的作用,并解释了它们的化学特性如何使它们能够为突发活动提供支持。

  物联网承诺通过使用高度分布式的半自动传感器和执行器节点,将精确地放置在需要的地方,大大增加处理环境,运输和工业控制的系统的智能。物联网传感器节点设计的关键要素之一是其能量自主性:使用能量收集,长寿命电池或两者结合以确保五年,十年甚至二十年的使用寿命。对于这一类设计,每个毫焦耳都很重要,要求仔细关注细节。

  在传感器节点的整个使用寿命期间,平均功耗将非常低,这使得在某些情况下可以提供收割机(如光伏(PV)模块)所需的全部能量。然而,平均功耗隐藏了传感器节点工作周期的影响。

  通常情况下,IoT节点将大部分时间用于低功耗睡眠模式,只是周期性地唤醒才能读取传感器。微控制器通常会使用硬件辅助来减少处理器内核本身需要开始执行软件的次数。传感器接口的专用状态机可以设置为读取数据,然后仅在MCU处于编程限制之外时才向MCU发送中断。如果发生这种情况,MCU可以唤醒并执行进一步的处理,并且如果这是需要报告的重要变化,则可以通过低功率无线电频率连接将无线消息发送到远程服务器。

  由此产生的功耗曲线类似于一系列不同高度的脉冲,具体取决于需要在任何一点激活的模块数量。虽然目前的消费量在很大程度上是可以预测的,但它在整个系统的生命周期中确实表现出很大的波动。在这种类型的环境中,电池组和能量收集器不一定以最佳效率工作。

  电池需求的突然变化可能会比预期更快耗尽电池,从而导致远程安装问题,并且可能要求使用比必要的更大,更昂贵的电池。例如,锂亚硫酰氯原电池通常用于无线传感器节点,因为它们每克具有高容量并且表现出低自放电(每年可低于1%),这有助于延长使用寿命。主要由于内部电阻的损失,用更高的电流放电这些电池会导致能量效率低于预期。

  超级电容器,也称为双层电容器,能够满足具有“突发”功率要求的设计。尽管在自放电引起的能量损失与持续电池充电引起的问题之间存在明显的折衷,但它们降低化学电池峰值功率需求的能力也有可能延长其寿命,这是消费电子设备的关键因素。

  超级电容器采用双层结构,其中两个非反应性多孔碳电极浸入有机电解质中。当对板施加电压时,带正电的板上的电势吸引带负电的离子,并且带正电的离子移动到相反的板上。该运动产生两层独立的电容式存储器,每块板上各有一层。

  多孔碳基电极材料的结构使其表面积达到每平方米1000平方米,提供了非常高的平板面积,并因此提供了电容。超级电容器也受益于板与储存电荷之间的纳米距离非常小,由电解质中离子的大小控制。

  与纯静电元件相比,大表面积和非常小的电荷分离的组合给超级电容器增加了电容。但是,没有实际的化学反应:电化学变化完全基于电解质的极化。因为这些变化纯粹是基于两极分化的,所以这个过程是高度可逆的,使超级电容器能够被充电和放电数十万次。

  超级电容器也具有较低的等效串联电阻,这使得它们能够非常快速地放弃其能量以产生非常大的电流。超级电容器也不像化学电池那样受到温度的影响,因为它们不依赖于可能因低温而减慢的化学反应。这些部件已用于需要在几秒钟内充电的应用,然后在可能持续数秒至数分钟的时间内放电。它们经常被用作电源的备份以消除间歇性的下降。

  在物联网应用中,超级电容可以在电池和其他电路之间提供缓冲,支持MCU和无线子系统的短期需求,而不会对电池本身造成太大的压力。同样,超级电容器可以充当依靠环境采集的系统的电荷储存器,在一段时间内建立足够的能量以维持短期突发需求。或者,超级电容器可用于防止在系统静止时用于调节来自电池或收集器的功率的DC / DC转换器的过多功率需求,但在长时间睡眠期间需要维持一些功能。

  作为能源储备,超级电容器与电池相比具有几个关键优势。与具有确定的循环寿命的电化学电池相比,超级电容器可以充电和放电几乎无限次。有一些老化的影响。在正常情况下,超级电容器在10年内从原来的100%容量衰减到80%左右,但与正常情况下的等效二次电池相比,这种降级更少。除了支持许多充放电循环的能力之外,超级电容器的内阻更低,因此可以提供高达完全放电点的高电流。

  超级电容器存在缺点,主要是其自放电率远高于化学电池的自放电率。超级电容器储存的能量在100个月内从100%降至50%。镍基电池不是长寿命设计,每月可自动放电10%至15%。自放电是这种类型的设备还不适合作为物联网传感器节点的主要能源的主要原因。

  在典型的物联网应用中,自放电问题不会直接遇到,因为该组件将支持大约数秒或数分钟的周期时间。然而,泄漏将需要考虑到能量使用和电池寿命的预测。

  有两种方式可以利用超级电容器来消除主要电源的电力需求。一个是作为峰值电流需求的储存器。在这种配置中,电容器与电池并联放置以消除电流峰值,收集器或原电池在活动爆发后将充满电容器.¹

  上述使用的替代方案或附加方案是允许更多的传感器节点电子装置在休眠期间关闭。大多数设计将使用某种形式的开关DC / DC转换器来调节MCU和传感器电路的电压。尽管这些组件可以提供非常高的工作效率,特别是与低压差(LDO)稳压器相比,它们的性能通常不会针对睡眠传感器节点中遇到的超低负载情况进行优化。

  电路中超级电容器典型用法的图像

  图1:超级电容器在超级电容器用于在DC / DC转换器不工作时为传感器节点供电的电路中的典型用法。

  即使在脉冲跳跃等低活动模式下,电流需求也可能是DC / DC转换器本身浪费的功率。这可以决定是否在休眠期间关闭DC / DC转换器是一个重要的考虑因素。在这种情况下,超级电容器可用于提供实时时钟和相关电路所需的电流涓流。²

  超级电容器的泄漏电路将在拓扑决策中起主要作用,因为泄漏可能接近高效的DD / DC转换器,特别是如果下游电路需要一定程度的调节来克服超级电容器的输出电压问题随着放电而下降。超级电容器的泄漏通常根据大约30分钟后维持电压所需的电流来引用。

  目前市场上各种各样的超级电容器在法拉范围内(从0.1 F到5 F左右)适用于物联网传感器节点。 NessCap,AVX,Elna,Kemet,Nichicon,Panasonic Electronic Components,Seiko Instruments和Taiyo Yuden等供应商均提供此范围内的产品,并提供约10μA的泄漏电流。

  通过利用超级电容器支持多个周期和高瞬时电流的能力,可以延长物联网传感器节点的使用寿命并保持其能量的自主性。