設計小型數(shù)據(jù)記錄器中的長壽命電源

設計任務很明確：構(gòu)建一個小型數(shù)據(jù)記錄器，一旦到位就無法訪問，但必須至少運行 20 年。更換電池不是一種選擇，因此您對單位時間壽命目標的當前要求進行基本數(shù)學計算，添加 2 倍“安全系數(shù)”，并選擇具有計算出的毫安時 （mAH） 的主要不可充電電池容量等級。供電二十年以上的問題就解決了，對吧？

不，這不對。

閱讀所選電池數(shù)據(jù)表的詳細信息，其中提到了電池的“自放電”，與任何負載無關。這種自放電是每年電池初始容量的 4-7%。再次查看這些數(shù)字，您會發(fā)現(xiàn)電池的實際使用壽命將遠遠低于第一個簡單計算所示的壽命。事實上，40-70% 的電池容量將在十年后消失，即使數(shù)據(jù)記錄器本身沒有任何能量消耗。

最明顯的解決方案是獲得具有足夠額外 mAH 容量的更大電池，這樣自放電就不再是一個因素。但是，更大的電池已經(jīng)沒有空間了，所以它又回到了重新考慮整個電源的情況。

有什么選擇？有幾個：

? 更改數(shù)據(jù)記錄器的尺寸限制并使用更大的電池（可能無法接受，并且還會增加成本）。

?看看可充電（二次）電池是否——這是一個很大的“如果”——它可以通過某種收獲方案充電。

? 獲得具有相同物理尺寸和mAH 額定值的“更好”的電池單元，但具有更低的自放電（他們確實制造它們），并按照供應商的規(guī)定使用它，這樣它就可以在應用中持續(xù)數(shù)十年。

? 使用超級電容器（正式稱為雙電層電容器，或EDLC），可能與電池和IC 一起管理能量存儲、流動，甚至充電（再次，從什么充電？）。

可充電電池選項看起來很有吸引力，但有兩個缺點。首先，即使是優(yōu)質(zhì)的可充電電池也只能進行幾千次充電/放電循環(huán)——這需要適當?shù)?a target="_blank">電池管理。您需要專門的 IC 來進行庫侖計數(shù)或其他管理方法，但這沒問題。

其次，雖然收獲似乎是一種“免費”的能源，但事實并非如此。您需要收獲傳感器（太陽能？振動？溫度變化？空氣/水流？）和收獲管理電路，同樣是一個 IC。無法保證您正在收獲的能源在 10 或 20 年后仍然可行且可用。畢竟，樹木生長并為太陽能電池遮蔭，東西被“擋道”移動，未來還有許多其他導致光線阻塞的原因。其他收獲源及其傳感器也有類似的潛在問題。此外，小型傳感器設置可以收集的能量非常有限，可能不足以滿足應用需求。

?超級電容器可能是一個不錯的選擇。與化學電池及其隨時間降解的化學過程不同，超級電容器依賴于物理現(xiàn)象，因此沒有可充電電池的充電/放電循環(huán)限制。但是你仍然需要為超級電容提供初始能量和補充能量。

這就是為什么您可能需要為這個應用程序“用盡電池”來思考。有一些主要的、不可充電的電池，例如來自 Tadiran 的電池，其自放電率僅為 1%，這意味著它們可以使用十年。例如，他們的 TL-4902/S LiSOCl2 原電池可提供 10 μA 電流 100，000 小時，而輸出電壓不會降低。但是，它們適用于消耗極低的應用，而不適用于高功率脈沖電流負載（即使總能量消耗相同）。

原因是稱為自鈍化的固有電池特性隨著電流消耗而增加。這反過來又增加了自放電。因此，應用本身必須具有較低的、相對恒定的負載消耗，而不是低占空比的脈沖功率需求。但是，許多數(shù)據(jù)記錄器類型的應用程序會長時間處于深度睡眠狀態(tài)，然后會出現(xiàn)突發(fā)活動，尤其是在它們具有無線鏈接的情況下。

事實證明，一種可行的解決方案可能是使用自放電非常低的電池和超級電容器，并使用前者對后者進行涓流充電。反過來，超級電容器可以提供應用所需的功率脈沖——超級電容器擅長提供功率脈沖而不會降低或損失功率。有一些 IC，例如德州儀器 （Texas Instruments） 的 TPS62740，設計用于在這種配置中將電池與超級電容器配對，圖 2。是的，有成本（IC、電池、超級電容器），但最終可能最有意義。

無論選擇何種能源和方法，即使在超低電流水平下提供數(shù)十年的電力也是一項艱巨的設計挑戰(zhàn)。太糟糕了，您不能使用一種經(jīng)過充分測試且已知可行的方法：收集熱源，例如放射性钚的衰變。

該技術為許多遠程/持續(xù)時間的航天器提供動力，包括相同的航海者 1 號和航海者 2 號，它們都于 1977 年發(fā)射，計劃任務壽命僅為五年?，F(xiàn)在，42 年后，航海者 1 號距離地球約 115 億英里，而航海者 2 號距離地球超過 130 億英里，并且都最近離開了我們的日球?qū)樱ㄌ栍绊憛^(qū)域）。他們最初的 500 W 電源子系統(tǒng)，正式名稱為放射性同位素熱電發(fā)電機 （RTG），至今仍在運行超過 40 年，目前產(chǎn)生約 250 W 的功率，并允許他們的儀器套件仍然發(fā)回數(shù)據(jù)。

但對于您的數(shù)據(jù)記錄器，使用钚能源當然不是一種選擇。因此，您必須通過某種方式使用一次電池、二次電池、超級電容器和能量收集來滿足項目目標。

訂閱

審核編輯：郭婷