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薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

电子设计 2019-01-29 08:55 次阅读

替代能源间歇性地提供少量电力,有时电力水平可能与依赖它们的应用的需求不匹配。需要某种形式的能量存储,但解决方案将随应用的需求而变化。本文将研究各种能量缓冲解决方案,包括小型电池,薄膜电池和超级电容器,重点介绍它们的规格和最适合的应用。

供应方

正如半导体缓冲器平滑处理器和存储器之间的数据流一样,能量收集源与其相关应用之间需要某种形式的缓冲。所需的缓冲量与供需之间的不匹配成比例地增加。

在供应方面,不同能量收集源的可用电量存在很大差异(见表1)。除环境射频外,典型的能量收集设备可以提供10μW至1 mW的任何功率,但很少稳定。太阳能显然只有在太阳出来时才有效;振动/运动源仅在电机开启或被监控人员移动时起作用;热源仅在有可靠的热源和散热器时才能工作,以产生热发电机(TEG)所需的温度梯度。

源电源采集电源灯 - 室内0.1 mW/cm²10μW/cm²灯 - 室外100 mW/cm²10mW/cm²振动/运动 - 人体0.5 m,1 Hz

1 m/s²50Hz4μW/cm²振动/运动 - 机器1 m,5 Hz

10 m/s²in1 kHz100μW/cm²热 - 人20 mW/cm²30μW/cm²热 - 机器100 mW/cm²1至10 mW/cm²RF - GSM BSS3μW/cm²0.1μW/cm²

另一个限制因素是大多数能量清除装置的低效率。再看表1,理论上可用的源功率与使用当前可用设备可以获得的实际功率之间通常存在几个数量级的差异。这个问题可以通过并行添加更多太阳能电池或TEG来解决,例如,如果您的应用允许它。但是,您正在处理微功率源,并且您可以使用它们进行限制。

在许多情况下,您可以通过利用各种来源增加收获的能量。例如,建筑物上的远程无线应变传感器可能将小型太阳能电池与TEG结合在一起;在桥路基上,类似的设备可能将TEG与振动传感器结合在一起。如果您的应用可以结合光,振动和热能源,它可以通过仅收获这些能源无限期运行。

需求方

对供应有限的明显反应是限制需求。如果随着时间的推移,您的设备的能量需求等于或小于您的能量收集源所能提供的能量,那么该设备应该能够无限期地独立运行。如果供应不足,那么在这种情况下,你需要考虑设备在注意之前是否能够运行的时间;如果没有,那么能量收集源可能不是解决方案的一部分。

无线远程传感器节点严重依赖能量收集。为了最大限度地降低功耗,它们通常尽可能频繁地关闭微控制器电源,仅唤醒以检查信标并快速突发数据每秒几微秒。此外,它们还采用小型低功耗软件堆栈,如ZigBee®和Bluetooth®低功耗。一些公司甚至创建了自己的小型专有RF协议,例如德州仪器的SimpliciTI™和Microchip的MiWi™。

无线传感器节点突出了对能量缓冲的需求,因为在MCU处于睡眠状态时,传输期间的电流需求通常是所需的10到100倍。在这些应用中,电容器甚至超级电容器通常放置在电源线中,以便能够处理突然的电流浪涌。没有这种保护,薄膜电池可能会永久性损坏。

大电流电池

如果您的应用具有特别高但很少的电流要求 - 例如,周期性循环的小型电动机 - 微型铅酸电池可能会填补这一空白。 EnerSys Cyclon 0810-0004 2 V薄板密封铅电池,260 mA时可提供2.5 Ah电流。直径仅为1.35英寸,高2.41英寸,吸收的玻璃垫(AGM)Cyclon电池可以适合最小的嵌入式应用。

铅酸电池有自己独特的充电要求。过度充电或反复完全放电这些电池会显着缩短其预期寿命。铅酸电池的循环寿命是放电深度(DOD),温度和充电速率的函数。根据EnerSys的说法,Cyclon电池的寿命可以从300到2,000多次充电/放电循环。如果保持适当的充电状态,Cyclon电池可以持续长达十年。

由于铅酸电池的输出电压随充电状态而变化(见图1),因此电池和应用之间的充电控制电路和电压调节都是必要的。

铅酸电池价格低廉,非常适合可能承受极端温度的户外应用。

硬币电池

小型锂离子纽扣电池不可充电,但它们仍然可以用于收集环境能源的低功率设备。低功耗传感器应用可以通过能量收集源供电 - 它们的能量存储在电容器或薄膜电池中 - 当这些源不可用时切换到纽扣电池。这种布置可以大大延长纽扣电池的寿命。

与铅酸电池相比,由于自放电率非常低,锂离子纽扣电池的放电曲线非常平坦(见图2)。例如,无处不在的CR2032额定电压为3.0 V,225 mAh,建议连续标准负载为0.2 mA。图2显示电池电压保持相对平坦,同时向15kΩ负载提供190μA超过1,000小时,之后很快就会失效。

薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

图2:CR2032纽扣电池的放电特性(由Panasonic提供)。

锰锂电池 - 与锂离子电池不同 - 是可充电的,这使它们非常适合能量收集应用。 Panasonic ML-1220/F1AN是一款可充电的SMD纽扣电池,额定电压为3.0 V,电流为17 mAh,电流为30μA。虽然其放电特性(见图3)与CR2032类似,但ML-1220可在10%的充电状态和额定容量之间承受1,000次充电/放电循环。该器件在1.2 mA或更低时需要2.8至3.2V的固定电压充电。通过能量清除源和电池之间的电压调节器,这对于这种微功率源来说应该是一个相当容易的目标。

薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

图3:Panasonic ML-1220锰锂电池的放电特性(由Panasonic提供)。

纽扣电池,无论是否可充电,如果不是大多数基于能量收集的应用,都是很自然的选择。如果您的应用程序功耗足够低,即使CR2032也可以使用长达十年,因此充电能力可能不是问题。例如,在您正在阅读本文的计算机中维护BIOS配置数据的纽扣电池应该可以使用长达十年。一般人在十年内没有更换电脑的可能性接近于零。

当应用需要的功率超过标准锂离子电池可以提供足够长的时间时,设计人员应考虑将ML-1220等可充电锰锂纽扣电池与能量收集电源相结合。

薄膜电池

对于需要无限期运行的超低功耗设备,薄膜电池是与能量收集源一起使用的天然存储选择。 Cymbet的固态表面贴装薄膜EnerChip™电池在能量收集应用中越来越多地与小型PV电池配对。 Cymbet EnerChip CC CBC3112-D7C-TR1额定电压为3.3伏,容量为12μAh,50μA。这些显然是非常小的电池,因此它们针对超低功耗应用,如无线传感器,RFID标签和实时时钟NV-SRAM的备用电源。 CBC3112采用20引脚,7 mm x 7 mm方形双扁平无引线(DFN)封装,厚度仅为0.9 mm。

EnerChip CC设备包含内置电源管理器,温度补偿充电控制和内置储能保护。在正常操作期间,芯片使用内部电荷泵以2.5至5.5伏的电压为受控电压充电。当主电源电压低于用户定义的阈值电压时,EnerChip CC会发出此事件信号,并将EnerChip电压路由至VOUT,以保持MCU或其他电路的持续供电。单个EnerChip CC最多可以为10个并行连接的EnerChip充电。

EnerChip CC的放电特性(见图4)与锂离子纽扣电池非常相似,输出电压在最终从悬崖上掉落之前基本保持平坦。但是,CBC 3112可承受超过5000次充电/放电循环,在10分钟内从10%充电至80%充电状态。

薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

图4:EnerChip放电特性(礼貌Cymbet)。

对于那些希望进一步研究这项技术的人,Cymbet提供CBC3112的Cymbet评估板和Cymbet Enerchip CC评估套件。

Infinite Power Solutions(IPS)提供一系列可充电的THINERGY™微电池(MECs),针对能量收集应用的固态电池。 THINERGY MEC225-1S提供标称4.1伏特,容量为130μA时为65μA。这些器件的尺寸仅为12.7 mm x 12.7 mm x 0.2 mm,绝对值得称为薄型。

THINERGY MECs利用锂钴氧化物(LiCoO2)阴极和锂金属阳极以及称为LiPON(锂磷氮氧化物)的固态电解质,使其具有与其他锂基电池类似的放电曲线(见图5)虽然有一些重要的区别。

薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

图5:THINERGY MEC225在250℃时的典型放电曲线(由无限电力解决方案提供)。

THINERGY MECs在能量收集应用方面具有许多优势。它们具有100,000个充电放电循环的额定循环寿命,从10%的放电深度开始,具有典型的应用负载;它们可以在15到20分钟内充电到90%的充电状态。 THINERGY MEC系列产品中最小的器件MEC-225可在25°C时提供高达7 mA的放电率和每年1%的超低自放电率。特别感兴趣的是它们能够接受1μA的充电电流,并且在除最小微电源之外的所有微电源范围内。

IPS制造无限功率解决方案能量收集评估板,其中包括一个4伏0.7 mAh THINERGY MEC,一个小型太阳能电池和相关电路,使您能够尝试太阳能收集应用。

超级电容器

为了能够处理突然的电流浪涌 - 例如当静态无线传感器节点突然传输数据突发时 - 薄膜电池在其输出端采用大电容器或超级电容器。

电气双层电容器(EDLC) - 也称为超级电容器 - 其能量密度是电解质的数百倍。它们的高密度是导电层非常接近的直接结果,这也导致非常低的击穿电压。超级电容器具有比电池更低的能量密度,但是具有更高的功率密度,因为与电池不同,它们几乎可以瞬间放电。

太阳诱电PAS414HR-VG1是一款3.3伏,60 mF表面贴装纽扣电池EDLC,直径仅4.8 mm,高1.4 mm。 PAS414HR-VG1的容量为20μAh,电压范围为3.3 V至2.0 V,放电至1.0 V时约为40μAh。

图6显示了PAS414HR-VG1在不同负载条件下的充电/放电特性。曲线突出了能量收集应用中超级电容器的一些优点和缺点。从好的方面来说,它们具有非常快的充电和放电速率,后者是偶尔需要高峰值功率传输的应用中的关键优势。在不利方面,它们的输出电压在放电时会迅速下降,通常需要一个降压升压稳压器来确保它们所连接的电源的恒定输出。

薄膜电池将成为能量收集应用的存储首选

6:PAS414HR-VG1超级电容器的充电/放电特性(由Taiyo Yuden提供)。

超级电容器往往会遭受内部泄漏,导致自放电率比电池或电容器快得多。因此,它们通常与电池一起使用以缓冲电源的负载并在需要时提供峰值功率。它们在能量收集解决方案中增加了电池,它们不会取代它们。

哪种存储介质最好?

虽然承认纽扣电池(可充电电池和非充电电池)和超级电容器在各种应用中的优势,但Infinite Power Solutions强调薄膜电池在能量收集应用中的优势。表2简要概述了每种主要技术的关键参数。

可充电电池 - 电池电池超级电容器THINERGY MEC容量1 - 100 mAh 0.1 - 1500 F100μAh - 2.5 mAh最大连续电流5μA - 40 mA10μA - 200 A 7.5 mA - 100 mA工作温度范围-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充电周期(80%DOD时80%原装容量)500 - 1000》 100,000》 10,000单价(高容量)〜$ 1~ $ 2 - $ 10~ $ 3 - $ 10自放电率(室温)10%/年》 90%6-7天1%/年接收电荷最小电流》10μA》35μA《100 nA

传统的可充电电池是交流电源的理想选择。铅酸电池是最便宜和最耐用的,尽管它们具有比锂基可充电电池更高的自放电率,更低的能量密度和更短的循环寿命。

超级电容器在处理能量浪涌方面表现优异,但与可充电纽扣电池和薄膜电池相比,它们具有许多缺点,包括:

高内部漏电流导致电池相对较快放电;

放电期间电压线性下降;在放电过程中线性降低;

高温下降解和寿命短;

尺寸大,能量密度差;

串联连接时需要进行电荷平衡电压;

由于退化和使用寿命问题而更频繁更换。

薄膜电池在小型电池供电设备中具有众多优势,包括高能量密度,小尺寸,最小化充电要求,放电期间的电压稳定性和低自放电率。然而,它们也有许多缺点,包括高成本,有限的存储容量,有限的浪涌能力,以及它们可以容忍的最小和最大电压水平的一些脆弱性 - 尽管后者通常由伴随的电源管理IC(PMIC)处理)。

对于依赖能量收集的低功耗应用而言 - 特别是在尺寸比成本更重要的情况下 - 薄膜电池将成为首选的存储介质。

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THEA-140作业更加方便,加汽车用油就能飞,省去发电机和电池的费用,更省去了充电麻烦,节省了人力....
的头像 无人机网 发表于 01-25 11:28 2484次 阅读
THEA-140,2400W油电混合动力植保机正式发布

特斯拉公司表示否认没有与力神签署任何协议

据媒体报道,天津力神虽未与特斯拉签订正式协议,但相关电池产品已报送特斯拉进行测试。而天津力神也在研究....
的头像 汽车工程师 发表于 01-24 16:17 1139次 阅读
特斯拉公司表示否认没有与力神签署任何协议

魅族明天要发新品,真相却被网友爆料?

昨天,型号为M923Q的魅族设备获得无线电发射型号核准,虽然其证书标记的是蓝牙设备。但是从型号、支持....
的头像 科技美学 发表于 01-24 14:12 972次 阅读
魅族明天要发新品,真相却被网友爆料?

SYKJ4409 P通道增强模式MOSFET的数据手册免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是SYKJ4409 P通道增强模式MOSFET的数据手册免费下载。
发表于 01-24 08:00 91次 阅读
SYKJ4409 P通道增强模式MOSFET的数据手册免费下载

SYKJ4410N通道增强模式MOSFET

本文档的主要内容详细介绍的是SYKJ4410N通道增强模式MOSFET
发表于 01-24 08:00 106次 阅读
SYKJ4410N通道增强模式MOSFET

丰田汽车与松下电器成立方形电池事业合资公司

日前,丰田汽车与松下电器就成立新能源汽车用方形电池事业合资公司达成合作意向。
发表于 01-23 14:32 274次 阅读
丰田汽车与松下电器成立方形电池事业合资公司

分析圆柱、方形、软包三种动力锂电池的外壳结构。

方形电池最大的特点是可以根据不同的车实现定制,说的简单粗暴一点,就是主机厂和供应商可以针对一辆车设计....
的头像 高工锂电 发表于 01-22 17:47 1375次 阅读
分析圆柱、方形、软包三种动力锂电池的外壳结构。

电池CB认证资料

发表于 01-22 16:43 318次 阅读
电池CB认证资料

【MAX32660试用申请】森威尔温控器

项目名称:森威尔温控器 试用计划:本次项目产品为电池供电设备,智能集控网关项目,需要超低功耗,高度集成微控制器。本项目...
发表于 01-22 15:22 178次 阅读
【MAX32660试用申请】森威尔温控器

特斯拉已与中国天津力神电池公司签署初步协议 将为上海工厂供应电池

据外媒报道,两名知情人士透露,特斯拉已与中国天津力神电池公司签署初步协议,为其上海工厂供应电池,以此....
发表于 01-22 14:50 255次 阅读
特斯拉已与中国天津力神电池公司签署初步协议 将为上海工厂供应电池

马来西亚计划量产18650圆柱电池 将用于电动汽车和固定装置

据外媒报道,马来西亚计划量产18650圆柱电池,用于电动汽车和固定装置。目前,马来西亚正在对该项目进....
发表于 01-22 14:44 156次 阅读
马来西亚计划量产18650圆柱电池 将用于电动汽车和固定装置

如何进行有效超低功率传感器控制器设计?

电表与流量表的一个关键区别在于电源,电表几乎总是具有电源的, 因此功耗不是主要关切所在。流量表很少具有电源,因此需要电池供电...
发表于 01-18 16:41 191次 阅读
如何进行有效超低功率传感器控制器设计?