【導讀】對于設計者來說，從小規模物聯網 (IoT) 節點、資產跟蹤和智能計量，到設備備用電源和狀態報告之類大型應用產品越來越需要采用獨立充電電源供電。一般情況下，他們的選擇僅限于通常基于鋰 (Li) 離子化學的電化學電池，是通常被稱為超級電容器的雙電層電容器 (EDLC)。問題在于，無論是單獨使用還是組合使用，每種技術都一定局限性，需要開發人員針對設計目標來權衡每種技術的功能和局限性。
特別是對于低功耗物聯網和工業物聯網 (IIoT) 應用來說，這些設計目標通常包括可靠性、長工作壽命、效率、能量密度和易用性，從而使設計和集成過程更簡單，開發時間更短，項目成本更低。雖然同時使用鋰離子和 EDLC 來實現這些設計目標是完全可行的，但這兩種方法的設計和優化卻是一項復雜的工作。整合性方法可能更合適。
本文將討論物聯網電源設計的要求以及電化學電池和 EDLC 背后的技術。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和應用。
物聯網系統要求低功耗、長運行壽命
在過去幾年里，可以從相對較小的電源供電的低功耗、低占空比應用的數量在激增。這些設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現了典型情況下只需要微安級電流的擴展工作模式。這些設備中所使用低功耗、低速率、低占空比無線技術，如 LoRaWAN 或低功耗藍牙 (BLE) 等也有助于將功耗降到最低。
對于這些工作條件，設計者通常會考慮兩種儲能技術：鋰離子電池的某些變體或超級電容器。每一種設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行了權衡。
蓄能技術的主要區別
簡單來說，無論是一次電池（非充電版）還是二次電池（充電版），它們都基于電化學原理。鋰基電池包含一個石墨陽極和一個金屬氧化物陰極，夾在這兩者中間的通常是液體電解質，但在某些情況下也可以是固體電介質。由于各種形式的內部性能退化，使得充電電池壽命受限，通常只有幾千個充放電周期。
此外，電池需要復雜的電池和電池組管理，以最大限度地延長工作壽命，同時防止出現過充電、熱擊穿或其他可能導致性能降低、電池受損甚至起火等事件的故障。對于設計人員來說，這些電池相對平坦的放電曲線簡化了電路實施（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反應來儲能的。這些器件在陽極和陰極兩側都有活性炭電極，是對稱的。電極的充電和放電是靜電過程，沒有化學反應，其循環壽命實際上是無限的。與電池相反，電極端電壓是所輸送電能的函數，呈線性下降關系（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步下降。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
EDLC 技術是無源元件世界中一項比較新的開發領域。即使到了 20 世紀 50 年代和 60 年代，人們的傳統觀念還停留在即使只有 1 法拉的電容器也會有 1 個房間那么大。然而，材料和表面技術方面的研究帶來了新的結構和制造技術，并最終形成了被稱為超級電容器的器件，它在一個與其他基本無源器件尺寸相當的封裝內實現了數十甚至數百法拉的電容。
拓撲選擇需要做權衡
由于電池和 EDLC 之間存在基本的設計和性能差異，設計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，則設計者必須在各種不同的拓撲結構中做決定，每種拓撲結構都有各自的權衡和對性能的不同影響（圖 3）。
圖 3：設計人員可以在三種常見的拓撲結構中組合超級電容器和電池：（從上至下）并聯、作為獨立單元或通過控制器/穩壓器進行組合。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
● 并聯方式最簡單，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聯。
● 當有一個非關鍵性基本負載和一個獨立的關鍵性負載時，將電池和超級電容器分別作為獨立單元使用時效果最好，因為這種結構能為每個單元提供獨立的電源，但在這種方法下獨立單元之間的協同效應不具備任何優勢。
● 智能布置能夠將每個能量源的能力相結合，并最大限度地延長運行時間和循環壽命，但它需要另外的管理組件，如控制器和兩個能量源與負載之間的 DC-DC 穩壓；這種拓撲結構最常用于與運輸相關的電力裝置。
當使用這樣的拓撲時，無需在電池和超級電容器之間做出“非此即彼”的決定。設計者可以選擇同時使用這兩種器件，但將它們組合使用時，設計者必須在兩種器件的不同特性之間找到最佳平衡點。
好消息是，由于采用了創新組件，在選擇使用電池或者超級電容器，還是兩者兼而有之時，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構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性質和超級電容器的物理性質融合在同一結構中的能量源。因此，這種混合器件克服了電池和超級電容器各自的缺點，同時在滿足設計要求方面表現出了明顯的優勢。
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，這兩種技術的組合實現了非常高的循環次數（典型最少循環至少 500,000 次）、對高放電率的快速反應能力（圖 4）。
圖 4：除了其他優點外，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生任何火災或熱擊穿風險。輸出特性與電荷水平的關系也符合低電壓、低功耗系統的需求（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準超級電容器之間。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）
與所有的組件和設計方法一樣，每個儲能解決方案都會在性能和功能方面進行折衷。表 1 顯示了典型案例中這些彼此相關的儲能方案的正 (“+”) 和負 (“-”) 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果表明，混合型器件結合了兩者的優點。（表格來源：作者，使用了來自 Eaton – Electronics Division 的數據）
經驗豐富工程師都知道，沒有一種方法是完美的。很多情況下，如果現有解決方案中的某個正屬性至關重要，那么就會用這種方法來替代其他任何方法。因此，系統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 臨界規電阻低至 550m Ω，因此具有相當高的功率密度，是標準超級電容器的 8 倍之多。該器件可以提供 0.15 A 連續電流（最大可達 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 認證，能極大地簡化整個的產品審批程序。
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 1.1 A 的連續電流和 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、性能和物理規格于一體，非常適合為智能電表中的無線鏈路提供獨立的脈沖電源或與電池并聯運行。這類超級電容器也非常適合在工業過程、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致的、往往是漫長的停機時間。同樣，這些器件可以在此類電源中斷期間向數據中心的易失性緩存存儲器、服務器和多盤 RAID 存儲器供電。
結語
對于物聯網系統的設計者來說，混合型超級電容器因其能量密度高、循環壽命長以及較高的工作電壓，成為儲能和送電的極好選擇。與標準超級電容器相比，由混合型超級電容器構建的設計可能只需要更少的電池和更小的體積；與單獨使用電池相比，能更好地滿足溫度和壽命要求。通過權衡和折中來解決難題，這類混合器件使設計工程師能夠更容易地實現具有挑戰性的項目目標。
來源：Bill Schweber，DigiKey
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