设计小型数据记录器中的长寿命电源

设计任务很明确：构建一个小型数据记录器，一旦到位就无法访问，但必须至少运行 20 年。更换电池不是一种选择，因此您对单位时间寿命目标的当前要求进行基本数学计算，添加 2 倍“安全系数”，并选择具有计算出的毫安时 （mAH） 的主要不可充电电池容量等级。供电二十年以上的问题就解决了，对吧？

不，这不对。

阅读所选电池数据表的详细信息，其中提到了电池的“自放电”，与任何负载无关。这种自放电是每年电池初始容量的 4-7%。再次查看这些数字，您会发现电池的实际使用寿命将远远低于第一个简单计算所示的寿命。事实上，40-70% 的电池容量将在十年后消失，即使数据记录器本身没有任何能量消耗。

最明显的解决方案是获得具有足够额外 mAH 容量的更大电池，这样自放电就不再是一个因素。但是，更大的电池已经没有空间了，所以它又回到了重新考虑整个电源的情况。

有什么选择？有几个：

• 更改数据记录器的尺寸限制并使用更大的电池（可能无法接受，并且还会增加成本）。

•看看可充电（二次）电池是否——这是一个很大的“如果”——它可以通过某种收获方案充电。

• 获得具有相同物理尺寸和mAH 额定值的“更好”的电池单元，但具有更低的自放电（他们确实制造它们），并按照供应商的规定使用它，这样它就可以在应用中持续数十年。

• 使用超级电容器（正式称为双电层电容器，或EDLC），可能与电池和IC 一起管理能量存储、流动，甚至充电（再次，从什么充电？）。

可充电电池选项看起来很有吸引力，但有两个缺点。首先，即使是优质的可充电电池也只能进行几千次充电/放电循环——这需要适当的电池管理。您需要专门的 IC 来进行库仑计数或其他管理方法，但这没问题。

其次，虽然收获似乎是一种“免费”的能源，但事实并非如此。您需要收获传感器（太阳能？振动？温度变化？空气/水流？）和收获管理电路，同样是一个 IC。无法保证您正在收获的能源在 10 或 20 年后仍然可行且可用。毕竟，树木生长并为太阳能电池遮荫，东西被“挡道”移动，未来还有许多其他导致光线阻塞的原因。其他收获源及其传感器也有类似的潜在问题。此外，小型传感器设置可以收集的能量非常有限，可能不足以满足应用需求。

•超级电容器可能是一个不错的选择。与化学电池及其随时间降解的化学过程不同，超级电容器依赖于物理现象，因此没有可充电电池的充电/放电循环限制。但是你仍然需要为超级电容提供初始能量和补充能量。

这就是为什么您可能需要为这个应用程序“用尽电池”来思考。有一些主要的、不可充电的电池，例如来自 Tadiran 的电池，其自放电率仅为 1%，这意味着它们可以使用十年。例如，他们的 TL-4902/S LiSOCl2 原电池可提供 10 µA 电流 100，000 小时，而输出电压不会降低。但是，它们适用于消耗极低的应用，而不适用于高功率脉冲电流负载（即使总能量消耗相同）。

原因是称为自钝化的固有电池特性随着电流消耗而增加。这反过来又增加了自放电。因此，应用本身必须具有较低的、相对恒定的负载消耗，而不是低占空比的脉冲功率需求。但是，许多数据记录器类型的应用程序会长时间处于深度睡眠状态，然后会出现突发活动，尤其是在它们具有无线链接的情况下。

事实证明，一种可行的解决方案可能是使用自放电非常低的电池和超级电容器，并使用前者对后者进行涓流充电。反过来，超级电容器可以提供应用所需的功率脉冲——超级电容器擅长提供功率脉冲而不会降低或损失功率。有一些 IC，例如德州仪器 （Texas Instruments） 的 TPS62740，设计用于在这种配置中将电池与超级电容器配对，图 2。是的，有成本（IC、电池、超级电容器），但最终可能最有意义。

无论选择何种能源和方法，即使在超低电流水平下提供数十年的电力也是一项艰巨的设计挑战。太糟糕了，您不能使用一种经过充分测试且已知可行的方法：收集热源，例如放射性钚的衰变。

该技术为许多远程/持续时间的航天器提供动力，包括相同的航海者 1 号和航海者 2 号，它们都于 1977 年发射，计划任务寿命仅为五年。现在，42 年后，航海者 1 号距离地球约 115 亿英里，而航海者 2 号距离地球超过 130 亿英里，并且都最近离开了我们的日球层（太阳影响区域）。他们最初的 500 W 电源子系统，正式名称为放射性同位素热电发电机 （RTG），至今仍在运行超过 40 年，目前产生约 250 W 的功率，并允许他们的仪器套件仍然发回数据。

但对于您的数据记录器，使用钚能源当然不是一种选择。因此，您必须通过某种方式使用一次电池、二次电池、超级电容器和能量收集来满足项目目标。

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审核编辑：郭婷