【导读】对于设计者来说，从小规模物联网 (IoT) 节点、资产跟踪和智能计量，到设备备用电源和状态报告之类大型应用产品越来越需要采用独立充电电源供电。一般情况下，他们的选择仅限于通常基于锂 (Li) 离子化学的电化学电池，是通常被称为超级电容器的双电层电容器 (EDLC)。问题在于，无论是单独使用还是组合使用，每种技术都一定局限性，需要开发人员针对设计目标来权衡每种技术的功能和局限性。
特别是对于低功耗物联网和工业物联网 (IIoT) 应用来说，这些设计目标通常包括可靠性、长工作寿命、效率、能量密度和易用性，从而使设计和集成过程更简单，开发时间更短，项目成本更低。虽然同时使用锂离子和 EDLC 来实现这些设计目标是完全可行的，但这两种方法的设计和优化却是一项复杂的工作。整合性方法可能更合适。
本文将讨论物联网电源设计的要求以及电化学电池和 EDLC 背后的技术。然后，介绍一种采用混合储能组件的替代方法。这种方法件将电池和 EDLC 的属性整合在同一封装中。本文将以Eaton — Electronics Division的器件为例介绍并讨论其特点和应用。
物联网系统要求低功耗、长运行寿命
在过去几年里，可以从相对较小的电源供电的低功耗、低占空比应用的数量在激增。这些设备中的电路虽然具有从毫安级到安培级的有源模式工作电流，但通常在深度睡眠模式下实现了典型情况下只需要微安级电流的扩展工作模式。这些设备中所使用低功耗、低速率、低占空比无线技术，如 LoRaWAN 或低功耗蓝牙 (BLE) 等也有助于将功耗降到最低。
对于这些工作条件，设计者通常会考虑两种储能技术：锂离子电池的某些变体或超级电容器。每一种设备都在能量的容量和密度、寿命周期、端电压、自放电、工作温度范围、低放电率和高放电率下的性能等因素方面进行了权衡。
蓄能技术的主要区别
简单来说，无论是一次电池（非充电版）还是二次电池（充电版），它们都基于电化学原理。锂基电池包含一个石墨阳极和一个金属氧化物阴极，夹在这两者中间的通常是液体电解质，但在某些情况下也可以是固体电介质。由于各种形式的内部性能退化，使得充电电池寿命受限，通常只有几千个充放电周期。
此外，电池需要复杂的电池和电池组管理，以最大限度地延长工作寿命，同时防止出现过充电、热击穿或其他可能导致性能降低、电池受损甚至起火等事件的故障。对于设计人员来说，这些电池相对平坦的放电曲线简化了电路实施（图 1）。
图 1：典型锂离子电池的放电周期曲线显示，在电池接近完全放电之前整个过程中，输出电压几乎保持恒定不变。（图片来源：Eaton – Electronics Division）
相比之下，EDLC 是通过物理过程而不是化学反应来储能的。这些器件在阳极和阴极两侧都有活性炭电极，是对称的。电极的充电和放电是静电过程，没有化学反应，其循环寿命实际上是无限的。与电池相反，电极端电压是所输送电能的函数，呈线性下降关系（图 2）。
图 2：与锂离子电池相反，超级电容器的输出电压随着它放弃所储存的电荷而稳步下降。（图片来源：Eaton – Electronics Division）
EDLC 技术是无源元件世界中一项比较新的开发领域。即使到了 20 世纪 50 年代和 60 年代，人们的传统观念还停留在即使只有 1 法拉的电容器也会有 1 个房间那么大。然而，材料和表面技术方面的研究带来了新的结构和制造技术，并最终形成了被称为超级电容器的器件，它在一个与其他基本无源器件尺寸相当的封装内实现了数十甚至数百法拉的电容。
拓扑选择需要做权衡
由于电池和 EDLC 之间存在基本的设计和性能差异，设计者必须决定只使用一种储能器件，还是将这两者组合使用。如果选择组合使用，则设计者必须在各种不同的拓扑结构中做决定，每种拓扑结构都有各自的权衡和对性能的不同影响（图 3）。
图 3：设计人员可以在三种常见的拓扑结构中组合超级电容器和电池：（从上至下）并联、作为独立单元或通过控制器/稳压器进行组合。（图片来源：Eaton – Electronics Division）
● 并联方式最简单，但超级电容的使用效果并不理想，其输出电压直接与电池电压关联。
● 当有一个非关键性基本负载和一个独立的关键性负载时，将电池和超级电容器分别作为独立单元使用时效果最好，因为这种结构能为每个单元提供独立的电源，但在这种方法下独立单元之间的协同效应不具备任何优势。
● 智能布置能够将每个能量源的能力相结合，并最大限度地延长运行时间和循环寿命，但它需要另外的管理组件，如控制器和两个能量源与负载之间的 DC-DC 稳压；这种拓扑结构最常用于与运输相关的电力装置。
当使用这样的拓扑时，无需在电池和超级电容器之间做出“非此即彼”的决定。设计者可以选择同时使用这两种器件，但将它们组合使用时，设计者必须在两种器件的不同特性之间找到最佳平衡点。
好消息是，由于采用了创新组件，在选择使用电池或者超级电容器，还是两者兼而有之时，可以摆脱“非此即彼”的窘境。Eaton – Electronics Division 的混合储能组件系列将两者的属性整合在同一封装中，无需进行任何折中选择。
混合型超级电容器的案例
混合型超级电容器将电池和超级电容器的基本结构整合在同一物理单元中。这些混合组件并不仅仅是将一对独特的电池和超级电容器简单地封装在同一外壳中。而且，这种器件是将电池的化学性质和超级电容器的物理性质融合在同一结构中的能量源。因此，这种混合器件克服了电池和超级电容器各自的缺点，同时在满足设计要求方面表现出了明显的优势。
混合型超级电容器是由掺锂石墨阳极和活性炭阴极组成的非对称器件。虽然充电过程主要是通过电化学方式完成的，但与锂离子电池相比，充电深度明显降低。
在其他属性方面，这两种技术的组合实现了非常高的循环次数（典型最少循环至少 500,000 次）、对高放电率的快速反应能力（图 4）。
图 4：除了其他优点外，混合型超级电容器还克服了电池充放电的周期和速率限制。（图片来源：Eaton– Electronics Division）
另外，由于没有使用金属氧化物，使得混合型超级电容器不会产生任何火灾或热击穿风险。输出特性与电荷水平的关系也符合低电压、低功耗系统的需求（图 5）。
图 5：混合型超级电容器的输出放电曲线介于电池和标准超级电容器之间。（图片来源：Eaton – Electronics Division）
与所有的组件和设计方法一样，每个储能解决方案都会在性能和功能方面进行折衷。表 1 显示了典型案例中这些彼此相关的储能方案的正 (“+”) 和负 (“-”) 属性。
表 1：电池、超级电容器和混合型超级电容器的典型特性比较结果表明，混合型器件结合了两者的优点。（表格来源：作者，使用了来自 Eaton – Electronics Division 的数据）
经验丰富工程师都知道，没有一种方法是完美的。很多情况下，如果现有解决方案中的某个正属性至关重要，那么就会用这种方法来替代其他任何方法。因此，系统需求将决定最终所采取的解决方案。
混合型超级电容器跨越了法拉第/能量容量范围
与一些只提供有限规格的专用器件不同，这些混合型超级电容器的性能范围相当广泛。例如，处于低端的HS1016-3R8306-R是 Eaton 的HS 系列圆柱形混合超级电容器电池中的 30 F 单元，长 18 mm，直径10.5 mm（图 6）。
图 6：Eaton HS1016-3R8306-R 是一种 30 F 单元，属于HS 系列圆柱形混合超级电容器电池。（图片来源：Eaton –Electronics Division）
HS1016-3R8306-R 的工作电压为 3.8 V，其初始 ESR 临界规电阻低至 550m Ω，因此具有相当高的功率密度，是标准超级电容器的 8 倍之多。该器件可以提供 0.15 A 连续电流（最大可达 2.7 A），额定储能容量为 40 mWh。与 HS 系列的所有器件一样，该器件获得了 UL 认证，能极大地简化整个的产品审批程序。
至于同系列中容量更大的混合型超级电容器，HS1625-3R8227-R 则是一款长 27 mm、直径 16.5 mm 的圆柱形 220 F 器件，ESR 为 100 mΩ，可提供高达 1.1 A 的连续电流和 15.3 A 峰值电流。其总储能容量为 293mWh。
Eaton 混合超级电容器集出色的容量、性能和物理规格于一体，非常适合为智能电表中的无线链路提供独立的脉冲电源或与电池并联运行。这类超级电容器也非常适合在工业过程、可编程逻辑控制器的短暂停电或停电期间用作“穿越”电源，从而避免即使是短暂的电源问题也会导致的、往往是漫长的停机时间。同样，这些器件可以在此类电源中断期间向数据中心的易失性缓存存储器、服务器和多盘 RAID 存储器供电。
结语
对于物联网系统的设计者来说，混合型超级电容器因其能量密度高、循环寿命长以及较高的工作电压，成为储能和送电的极好选择。与标准超级电容器相比，由混合型超级电容器构建的设计可能只需要更少的电池和更小的体积；与单独使用电池相比，能更好地满足温度和寿命要求。通过权衡和折中来解决难题，这类混合器件使设计工程师能够更容易地实现具有挑战性的项目目标。
来源：Bill Schweber，DigiKey
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