如何将长寿命电池的能量达到最大化【钜大锂电】

　　电池寿命是开发无线传感器节点的一个重要考虑因素，它将构成物联网(IIoT)。在许多应用程序中，传感器节点需要安装在难以到达的位置，更不用说服务了。传感器节点在能源方面需要是自主的，因为它的成本太高，很难给它们供电，或者让维修人员定期更换电池。

　　除了在处理电子产品中的低功耗，电池本身也需要能够支持非常长的服务时间:可能长达20年。许多电池的化学反应不能支持如此长的使用寿命，甚至在支持专门的低能源电子产品因为他们的自放电率。

　　然而，锂硫酰氯的化学反应却有很低的自放电速率。因此，化学提供了迄今为止所见的最长的生命和最高的能量自主性，这是适用于物联网传感器节点和其他小尺寸重要的设备。在近40年的时间里，锂硫酰氯化合物的使用寿命得到了证实。aa尺寸的电池在实用仪表上的使用寿命超过20年。

　　然而，随着长寿命电池供电系统的应用范围的扩大，考虑锂硫酰氯化学的特性是很重要的。增加无线通讯到传感器节点以及执行功能，例如开启和关闭气体或液体阀门的能力，增加了电池所需的峰值电流。

　　一个典型的传感器节点或计量应用程序中的微控制器将在大部分时间内处于休眠状态，它会在正常的时间间隔内读取数据，将它们存储在本地内存中。在较短的间隔时间内，微控制器将激活无线通信模块，并向网关或服务器发送数据包。无线接口传输时，所需电流可达500mA;但它只需要几百毫秒的时间。

　　尽管电池的额定功率似乎可以支持这种短期的峰值电流，但老化的不可避免的影响可以减少在现场的寿命。电池的可用容量不仅受自放电速率的影响，而且还受到产生大量电流脉冲的阻抗的逐渐升高的影响。

　　不同大小的电流脉冲的影响图像。

　　图1:不同大小电流脉冲对电压随时间的影响，显示连续脉冲的潜在累积效应。使用恒低电流将恢复电压电平。

　　锂硫酰氯电池化学的自放电率非常低，很大程度上是由于锂离子在阳极表面放电时形成的一层钝化层。这种绝缘层限制了电流的流动，但通过将负载放置在电池上，就会部分脱落。然而，由于通过钝化层形成传导通路所需的化学过程，存在延迟。这是一种暂态电压降的表现，接着是在恒定负载下的电压缓慢上升。

　　瞬态电压的下降取决于钝化层的厚度和密度。放电电流越高，所提供的电压越低。在部分放电的情况下，去除负荷往往会增加钝化的量，增加电压的减少和延迟。

　　如果d型号的电池,如Tadirantl-5134/P,逐渐释放的持续负载大约50μA,它将继续提供电流接近其额定电压在一段超过十年了。然而，如果需要电池提供更大的电流脉冲，情况就会改变。通过使用相同的D-size细胞并使用它来传递当前的150mA的脉冲，Tadiran的实验表明相同的细胞在大约2年的时间内将维持3伏特的电压。之后，电压开始下降，5年后逐渐下降到1.5V。在电路设计中，预期电压高于1.5V，电池在5年后似乎完全放电，而不是10或20。然而，电池仍然有足够的存储电荷，如果系统能够利用它，还可以继续提供10年所需的能量。

　　使用锂硫酰氯电池延长使用寿命的关键在于消除当前的需求，这样就不会产生大电流脉冲。这需要使用一个能量缓冲装置来提供能量脉冲，电池提供一个恒定的电荷流进入缓冲电路。

　　提供受控能量缓冲的一种方法是使用大型电容器和直流/直流转换器，例如德州仪器TPS62740来调节电荷流入电容器。为了确保有足够的电荷来运行无线链路几百微秒，双层电容器或超级电容器提供了一个合适的选择。

　　使用德州仪器TPS62740的微控制器示意图。

　　图2:使用带有TPS62740的单片机控制向超级电容器供电的电压。

　　电路设计使用直流/直流变换器输出的电阻器来限制电流流入超级电容器，同时，电流从高容量的原始细胞中提取，如在TadiranXTRA系列中发现的。需要选择电阻器以使当前的需求保持在与长期使用寿命一致的水平。虽然可以通过电阻器将主电池连接到电容器上，但使用DC/DC变换器的优点是它可以动态调整输出电压，以尽量减少电阻器的能量损失。

　　一个可编程的DC/DC转换器，如TPS62740可以，作为超级电容器充电的最大容量，增加它的输出电压增量。一个建议的概要是每30或60秒增加100mV。总充电时间可能在10分钟以上。然而，在这段时间内，由于供应电压的逐步上升，电阻的下降将始终小于100mV。虽然目前电池的需求会急剧上升，但每增加一次电压，电流的要求是2mA到4mA，这不会对内部电阻造成太大的不利影响。

　　直流/直流变流器供电的电压范围将受到两个因素的限制:由电容器下游提供的微控制器所需要的电压和超级电容器的最大电压，通常在2.5V到2.7V范围内。嵌入式单片机可能期望电压范围从1伏到2伏。因此，DC/DC转换器将被期望从1V到2.7V的范围内运行，这可能取决于单片机和超级电容的选择。

　　在启动时，超级电容器需要被充电到由微控制器所期望的电压水平。在这个阶段，一个较大的电阻可以用来适当地限制电流进入超级电容器。一旦达到初始的目标电压，就可以将一个较小的电阻器转换为最小的损耗。这可以通过将两个电阻并联在一起来实现。通常由单片机操作的开关可以确保在启动过程中使用更高的阻力路径。在达到电压电平后，微控制器在较低的电阻路径上进行开关。

　　由于DC/DC变换器的开关转换以及限流电阻器的转换造成了一些损失;但是，阶梯式的操作有助于保持整体效率接近90%。功率控制策略的结果是使锂硫酰氯电池寿命最大化的电路。

　　在充电过程中，逐渐增加电压的图。