優(yōu)化長壽命電池供電系統(tǒng)的特性

電池壽命是開發(fā)將填充工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵考慮因素。在許多應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要安裝在難以到達(dá)的位置，更不用說服務(wù)了。傳感器節(jié)點(diǎn)在能量方面需要自主，因為它太昂貴且難以為其運(yùn)行電源線或讓維護(hù)人員定期更換電池。

以及處理電子設(shè)備的低功耗，電池本身需要能夠支持很長的服務(wù)時間：可能長達(dá)20年。許多電池化學(xué)品由于其自放電率而無法支持如此長的使用壽命，即使在支持專用的低能耗電子產(chǎn)品時也是如此。

鋰亞硫酰氯化學(xué)反應(yīng)具有非常低的自放電率。因此，該化學(xué)物質(zhì)為原始電池技術(shù)提供了迄今為止所見的最長壽命和最高能量自主性，適用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和小尺寸重要的其他設(shè)備。鋰亞硫酰氯化學(xué)品的使用壽命已在近40年的時間內(nèi)得到證實。 AA電池在電表中的使用壽命超過20年。

然而，隨著長壽命電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，重要的是要考慮到電池的特性。鋰亞硫酰氯化學(xué)。向傳感器節(jié)點(diǎn)添加無線通信以及執(zhí)行功能（例如打開和關(guān)閉氣體或液體閥門的能力）會增加電池所需的峰值電流。

典型傳感器中的微控制器 - 節(jié)點(diǎn)或計量應(yīng)用程序?qū)⒃诖蟛糠謺r間處于睡眠狀態(tài)，喚醒以定期讀取數(shù)據(jù)以將其存儲在本地存儲器中。在較不頻繁的間隔，微控制器將激活無線通信模塊并將存儲的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器。當(dāng)無線接口正在傳輸時，所需的電流可能達(dá)到500 mA;但它只需要幾百毫秒的時間。

雖然電池的標(biāo)稱額定值似乎可以支持這種短期峰值電流，但老化的不可避免的影響可以減少現(xiàn)場一生。來自電池的可用容量不僅受到自放電率的影響，而且受到由產(chǎn)生大電流脈沖引起的阻抗逐漸上升的影響。

圖1：不同大小的電流脈沖對電壓隨時間的影響，顯示連續(xù)脈沖的潛在累積效應(yīng)。使用恒定的低電流將恢復(fù)電壓水平。

鋰亞硫酰氯電池化學(xué)品的自放電率非常低主要是由于氯化鋰的鈍化層在陽極表面排出時形成。該絕緣層限制電流流動，但通過在電池上放置負(fù)載而部分地移位。然而，由于形成穿過鈍化層的導(dǎo)電路徑所需的化學(xué)過程，所以存在延遲。這表現(xiàn)為瞬態(tài)電壓降，隨后在恒定負(fù)載下電壓緩慢上升。

瞬態(tài)電壓降取決于鈍化層的厚度和密度。放電電流越高，供給的電壓越低。部分放電電池然后去除負(fù)載往往會增加鈍化量，增加電壓降低和延遲每次。

如果是D尺寸電池，如Tadiran TL-5134/P，在連續(xù)負(fù)載大約50μA的情況下逐漸放電，可以預(yù)期在超過十年的時間內(nèi)繼續(xù)提供接近其標(biāo)稱電壓的電流。但是，如果要求電池提供更大的電流脈沖，則情況會發(fā)生變化。采用相同的D尺寸電池并使用它來提供150 mA的電流脈沖，Tadiran的實驗表明，相同的電池將維持3 V的電壓約兩年。之后，電壓開始下降，五年后逐漸降至1.5 V.在預(yù)計電壓高于1.5 V的電路中，電池在五年后似乎完全放電，而不是十或二十。然而，電池仍然有足夠的存儲電量，如果系統(tǒng)能夠利用它，可以繼續(xù)提供另外十年所需的能量。

鋰電池持續(xù)使用壽命長的關(guān)鍵亞硫酰氯電池可以消除電流需求，因此不會產(chǎn)生大電流脈沖。這要求使用能量緩沖方案來提供能量脈沖，電池為緩沖電路提供恒定的電荷流。

提供受控能量緩沖的一種方法是采用大容量電容器和DC/DC轉(zhuǎn)換器如德州儀器TPS62740可調(diào)節(jié)電荷流入電容器。為了確保有足夠的電荷來操作數(shù)百微秒的無線鏈路，雙層電容器或超級電容器提供了合適的選擇。

圖2：使用帶有TPS62740的微控制器來控制提供給超級電容器的電壓。

電路設(shè)計采用DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端的電阻，用于限制流入超級電容器的電流，以及從高容量原電池（如Tadiran XTRA系列中的電池）中提取的電流。需要選擇電阻以將電流需求保持在與長使用壽命一致的水平。雖然可以通過電阻將主電池連接到電容器，但使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是它可以動態(tài)調(diào)整其輸出電壓，以最大限度地減少電阻器的能量損失。

可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器（如TPS62740）可以在超級電容器向其最大容量充電時，逐步增加其輸出電壓。建議的曲線是每30或60秒增加100 mV。整個充電時段可以在十分鐘或更長時間內(nèi)。但是，在此期間，由于電源電壓逐漸升高，電阻上的壓降始終小于100 mV。雖然電池的電流需求會在每次升壓電壓衰減之前急劇上升，但所需的電流大約為2 mA至4 mA，這對內(nèi)阻的影響不會太大。

DC/DC轉(zhuǎn)換器將提供電荷的電壓范圍將受到兩個因素的限制 - 電容器下游提供的微控制器所需的電壓和超級電容器的最大電壓（通常為2.5 V至2.7） V范圍。嵌入式微控制器可能需要1 V至2 V的電壓范圍。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍為1 V至2.7 V，可能更窄，具體取決于微控制器和超級電容器的選擇。

啟動時，超級電容器需要充電至微控制器預(yù)期的電壓水平。對于該階段，可以使用更大的電阻器來適當(dāng)?shù)叵拗屏魅氤夒娙萜鞯碾娏?。一旦達(dá)到初始目標(biāo)電壓，就可以接通一個較小的電阻，以最大限度地減少總損耗。這可以通過平行布置兩個電阻來實現(xiàn)。由微控制器操作的常開開關(guān)確保在啟動期間使用更高的電阻路徑。達(dá)到該電壓水平后，微控制器切換到較低的電阻路徑。

由于DC/DC轉(zhuǎn)換器和限流電阻的開關(guān)轉(zhuǎn)換，會有一些損耗;但步進(jìn)式操作有助于將整體效率保持在接近90％的水平。功率控制策略的結(jié)果是最大化鋰亞硫酰氯電池壽命的電路。

圖3：使用a在充電期間逐漸踩下電壓，然后在無線電模塊激活時進(jìn)行放電循環(huán)。