能量收集系统可充电电池与超级电容器的选择

能量收集 - 当源不稳定且不可预测时，可能更准确地称为“能量清除” - 是一种越来越可行的电路供电方式，无需提供外部电源或定期更换电池。这种实用性归因于多种因素：更好的能量存储元件，改进的电源管理组件以及可以操作和执行有用功能的电路，例如仅使用微安和毫瓦功率无线记录和报告数据。

能量收集系统由四个主要功能组成：能源（传感器），能量存储元件，启动，收获，运行模式（通常重叠）的整体管理控制器;和负载本身（图1）。我们将研究两种最常见的储能元件：可充电电池（大多数情况下锂化学的一些变化）和超级电容器（也称为超级电容器或超级电容器，虽然正式名称是电动双层电容器）。

图1：所有能量采集设计共有四个功能元件：源换能器，储能元件，负载，系统控制器或电源 - 管理单位。

两者都是不错的选择，但它们在容量/功率和能量密度，充电/放电循环，放电深度，形状因数，耐用性，负载瞬态性能，寿命和成本方面存在一些操作差异。当然，如何评估和加权这些参数取决于您的应用程序细节，优先级和约束。

需要牢记的一个重要注意事项：术语“能量”和“能量”都用于能量收集应用。当然，它们密切相关：功率是能量使用的速度（工作正在进行），能量是功率的时间积分 - 但取决于您的应用以及您所处的运行周期的哪个部分，你可能对一个人比另一个人更感兴趣。所以在使用这些词时要小心，并确保你知道在任何特定时刻你真正关心的是哪一个。

关于上面提到的重要参数，让我们看看电池与超级电容的选择。与大多数电子元件一样，一般指导原则也有例外，因为供应商可能决定将一个参数推到正常范围以外;但要做到这一点，供应商可能不得不削减另一个 - 当然，这完全取决于权衡。此外，正如工程设计的现实一样，没有通用的正确或最佳答案，最终的选择可能是将两种类型的存储元素结合起来，以提供您所需的性能优先级，甚至可能添加一个惊喜的第三选择。

容量（功率和能量密度）：要记住的一个很好的指导方针是超级电容器的功率密度高于电池，但能量密度较低。因此，不可避免的困境：用于存储收获的能量（电池）的名义上“更好”的组件可能不是为您的负载（超级电容器）提供电力的更好的组件。例如，来自Taiyo-Yuden的PAS414HR-VA5R采用纽扣电池外形，直径1.55 mm×4.80 mm，电容为60毫法拉（mF），具有充电/放电特性（图2）它支持更大负载的能力。

图2：硬币式超级电容器，例如来自Taiyo-Yuden的PAS414HR系列，提供出色的充电（顶部）/放电（底部）循环性能。

充电/放电周期：这非常依赖于供应商和型号，以及供应商进行最重要的设计性能权衡的领域之一。但一般来说，电池在一到一万次充电/放电循环中是好的，而超级电容的额定电压在一万到100，000次之间。

放电深度：对于大多数电池，限制放电深度是延长使用寿命的关键。一般规则是将此放电限制为电池最大容量的10％至20％。相比之下，超级电容器的寿命受放电深度的影响要小得多。

外形尺寸：通常，超级外壳具有更大的物理尺寸，与较小的空间受限设计的兼容性较低。您可以安装PC板安装的电池，厚度小于1毫米，与电路板上的其他元件相当。 Cymbet CBC012-D5C-TR Enerchip是一款3.8 V锂电池，额定电流为12μAhr，厚度仅为5.0×5.0×0.9 mm（图3），与任何标准表面贴装元件一样。

图3：专业的锂化学成分可以实现极其紧凑的电池外形尺寸，如Cymbet的这款0.9毫米薄的表面贴装3.8-V Enerchip所示。

坚固耐用：与电池相比，超级电容器在较高温度下的降解速度更快。通常情况下，它们的温度指定为+ 70°C，而许多电池的温度仅为+ 60°C，您可以找到完全符合+ 85°C标准的电池。

负载瞬态性能：超级电容器在处理电流浪涌时比电池好得多，但它们的输出随负载迅速下降。

寿命：超级电容器具有相对较高的内部自放电，因此即使不使用它们，也会存在能量损失。根据型号，它们可以在大约一个月内通过这种泄漏排出，因此需要经常补充。相比之下，电池自放电每年约为10％。

成本：电池往往比超级电池更昂贵，尽管在进行公平比较时涉及很多因素。

良好的工程实践是对解决方案持开放态度。在这方面，即使您通过使用超级电容器，可充电电池或两者兼顾，将能量收集视为一种非常长期的电源和能源，也要问问自己实际使用的产品寿命究竟是什么。

根据答案，不排除使用传统的非可充电硬币电池（如无处不在的CR2032）补充这些储能元件。这种类型的电池在低电流消耗下具有超过十年的保质期，并且可能是正确的附加装置，以克服超级电容器或可充电电池的弱点。很少有产品必须“永远”持续;通过增加一个小型，不可充电的储能元件，并以较低的总成本，可以实现十年无故障性能。