储能设备为无线传感器节点供电

近年来，用于监测和控制设施或设备，或观察环境或空间的传感器网络受到了广泛关注。一个传感器网络将具有多个传感器节点、一个电源和通信功能。从节点收集信息是通过有线或无线连接完成的。传感器网络通常是机器对机器 （M2M） 连接、家庭能源管理系统 （HEMS）、建筑能源管理系统 （BEMS）、工业监测和控制，当然还有物联网的正确技术。物联网）。

无线传感器节点：配置和问题

无线传感器节点需要有蓄电设备、传感器、无线通信芯片、天线和微控制器，安装后需要继续独立运行，直到电池耗尽。

图 1：图表显示了无线传感器节点的示例配置。

典型的蓄电装置包括双电层电容器和一次或二次电池。一次电池是不可充电的，有锰、碱锰、氧化银和锂版本。二次可充电电池类型包括铅、镍镉、镍氢和锂离子。电池以电化学方式储存能量，其中化学反应释放电载体。也可以使用大容量电容器，例如双电层电容器或超级电容器，并且可以反复充电。

如果将一次电池用作蓄电装置，可以以较低的成本构建系统，但需要定期更换电池，并且需要预测电池消耗的电量。如果传感器节点的功耗极低，电池可能会持续 20 年而不会成为问题。然而，尤其是在规模更大、配置的无线传感器节点数量更多的传感器网络中，情况并不常见，电池更换的维护成为一个大问题。特别是，无线节点将不使用原电池，因为所需的传输功率非常高，并且如果没有巨大的原电池，该节点的寿命将非常短。

能源供应解决方案

近年来，已经尝试开发具有可充电存储设备的能量收集。正在使用使用自然能源的发电设备，例如阳光、振动和热。但是，当然，能够集成到小型设备中的设备只能确保少量电力。所使用的蓄电装置需要能够充满电，即使是低容量的电源，并且能够长时间保持能量而不泄漏。此外，即使在多次充电和放电之后，存储设备的性能也需要保持。不同类型的二次电池和双电层电容器各有优缺点，目前只有少数这些器件能够满足所有适用于能量收集的条件。

应用于无线传感器节点

超级电容器提供了一些很大的优势。它利用电极上的电荷与界面处电解质中的离子之间的物理电荷分离现象。它们可以比电池更快地释放能量，并且可以循环数十万次而不会大大影响性能。同时，超级电容器的能量密度远低于锂离子电池——至少低 20 倍。有许多超级电容器/电子双层电容器可供选择——制造商包括 Murata、Taiyo Yuden、Illinois Capacitor、Vishay、NIC Components、Maxwell Technologies、KEMET、Cornell Dubilier、Nichicon、Eaton、AVX、Panasonic 和 Elna。

在超级电容器和蓄电池的变体中，村田电子制造了一种名为 UMAC （UMAC040130A003TA01） 的小型能源设备。与传统的锂离子电池不同，它是一种使用钛酸锂作为正极材料的锂离子二次电池。它的设计允许高速率或低速率充电和放电、长寿命和更高的安全水平。

图 2：基本 UMAC 规范。

图 2 显示 UMAC 的产品规格。它采用单一尺寸，容量为 3 mAh，标称电压为 2.3 V，最大连续放电电流为 30 mA （10C）。UMAC 的功率密度是通用锂离子电池的 10 倍，能量密度也差不多。它适用于需要高达 30 mA 电源的节省空间的应用。另外，通常锂离子电池充电时，出于安全考虑，需要控制充电电流，充电时间较长。UMAC在充电时不需要仔细控制电流，可以恒流充电，适用于需要快速充电的应用。与某些超级电容器相比，UMAC 确实具有 0.8 Ω 的较高 ESR，这限制了其放电速率或功率密度。

无线传感器节点储能要求

无线传感器节点的电力存储设备需要四个属性。第一个特性是循环寿命长，无需定期维护。图 3 显示了 UMAC 器件的放电容量保持率与充电/放电循环的关系。如果 1 个循环的放电量为 50%，则在 5，000 次充电/放电循环后仍可保持 90% 或更多的容量。如果放电量小于该值，则循环寿命进一步增加。如果每天进行一次放电，5000 次循环相当于大约 13 年，因此，UMAC 应该能够为免维护传感器节点的开发做出贡献。

图 3：多次充电/放电循环后的 UMAC 容量率。

第二个特性是即使从弱电流源也能充电并长时间保持能量的能力。能量收集设备通常以相对较高的阻抗提供低电流。需要长时间保留产生的稀有能量而不泄漏。在图 3中，我们显示了充电容量保持率。UMAC 器件在充满电后 90 天不接触，可保留 88% 的容量，其漏电流经计算约为 0.17 μA。即使使用非常低的 5 μA 电流，它也可以充满电。

图 4：UMAC 长期容量保持和 5-μA 充电特性。

可能需要的第三个特性是相当高的放电率。如果蓄电装置可以充分充电，但不能满足系统的峰值负载，则需要电容器等峰值辅助装置，使系统复杂化。UMAC 可以以高达 30 mA （10C） 的电流放电，因此它可以用作蓝牙低功耗 （BLE） 和 ZigBee 等近场通信的电源，以直接驱动负载。与锂离子电池不同，该设备在低温下也很有效，因此可以在寒冷气候的户外使用。UMAC 可以处理快速脉冲放电，即使在低温下也是如此。

第四个必需属性是充电开始后立即使用的能力。在电容器中，存储的电荷量与电容器两端之间的电压成正比，因此，从充电开始到系统开始运行之间存在时间滞后。相比之下，UMAC 允许系统立即投入运行，因为它是锂离子电池，当充电至百分之几时将达到其 2.3 V 的标称电压。