能源採集與電池在實現數十年 IoT 感測器運作方面的比較

超低功率 IC 的問世，導致感測器型電路和系統迅速激增。這些產品只需要幾微安培或毫安培就能運作，可用於環境監控 (安全性、溫度、地震)、資產追蹤、能源／功率量測、醫療監視器等應用。

這些裝置大多都需要運作一、二十年或更久，但要為其更換電池往往難度很高，甚至不可能辦到。電池更換成本也常高得嚇人。

因此，設計人員必須做出適當的考量，並從以下選項或選項組合中進行選擇：

• 能源採集
• 充電式 (二次) 電池搭配能源採集
• 超長續航力非充電式 (一次) 電池
• 超級電容搭配超長續航力一次電池

本文將探討設計人員可用的各種選項及其取捨，並將穿插介紹 Tadiran、Analog Devices、KEMET 和 Texas Instruments 的相關解決方案及其用途。

能源採集是個明智的選擇嗎？

明不明智，當然要視應用而定。可以肯定的是，能源採集是個頗具吸引力且廣泛使用的技術，乍看之下，幾乎能以很低的成本，甚至是零成本供電。能源採集包含四大要素：

• 能源產生 (來源)
• 轉換 (使用某種傳感器)
• 儲存 (供日後使用)
• 配電 (將電力有效供應給所需的電路)

能源採集的第一個難題是找出可用的最適宜能源來源。常見的來源包括太陽能、風力、液壓、溫差、廢熱或磁感應。另一個來源是某種形式的微振動或動作；這種來源可透過步行、建築體的地面振動或馬達振動來誘發。

請務必謹記，雖然能源和功率這兩個詞常常互換使用 (特別是一般大眾)，但這兩者固有關聯，卻是完全不同。能源是做功能力，功率是能源的收集率或耗用率。因此，能源是功率的時間積分，而功率是能源的時間導數。在採集系統裡，收集和儲存的能源量必須等於或大於功率積分，否則功率將不足以支援系統長期運作。也就是說，能源總體耗用率 (即功率) 不能超過隨時間推移的收集率。

識別出要採集的能源來源後，便需要使用傳感器來擷取能源並將其轉換成電能。這種傳感器可採用多種形式，包括微渦輪、太陽能電池 (或面板) 或壓電晶體等等。接下來要確定如何儲存這種不穩定、往往不可預測且少量的能源，以在需要時為電子元件供電。

電池？超級電容？或兩者都使用？

兩個可用的儲存選項為充電式電池或超級電容，後者正式名稱為雙電層電容 (EDLC)。使用充電式電池還是超級電容，主要取決於應用的規模、持續時間和工作週期。

一般來說，標準 (非超級) 電容可提供大量功率，但每單位容量僅能儲存相對較少的能源。而電池能儲存大量能源，但額定功率較低。超級電容介於這兩者之間，並在能源與功率之間取得平衡。

相較於電池，超級電容有許多優點：

• 超級電容儲存物理電荷，而不是進行化學反應，因此能非常快速地充電和放電 (毫秒至數秒)
• 與電池不同，超級電容的充放電週期壽命幾乎不受限，原因在於其並不仰賴化學反應
• 電池涉及恆定電流和恆定電壓充電演算法，這些演算法有些複雜且仰賴於化學作用，而超級電容的電荷管理則比電池簡單許多，只需要充電電流和過壓保護 (OVP) 即可

例如，KEMET 的 FC0V474ZFTBR24 是一款 47 mF 超級電容，裝在小型密封罐內，高度為 10.5 mm，直徑為 8.5 mm，標稱額定值為 3.5 V (圖 1)。此產品不太可能發生密封溢漏事件，即使發生，也只會因電解質 (稀硫酸) 中的液態水變成氣態而發生相態轉換，釋放無害的水蒸氣 (一種氣體)。

圖 1：KEMET 的 FC0V474ZFTBR24 超級電容，是一款 3.5 V、47 mF 的元件，裝在密封罐內，高度僅為 10.5 mm，直徑僅為 8.5 mm。(圖片來源：KEMET Corp.)

充電式電池可用於一些時間較長的情形；非常適合電流損耗低但相對恆定，且無過高峰值及低工作週期的應用。有些設計同時使用充電式電池與超級電容，其中電池為電容進行涓流充電，而電容提供峰值負載電流。

對於大多數時間較長的應用來說，鋰離子 (Li-ion) 化學物是眾多可用標準化學物中的最佳選擇，無論是在電氣效能屬性方面，還是在能源密度 (按體積和按重量) 方面。

不過，在各種鋰化學物的相關屬性之間，也存在重大的差異，如輸出電壓、充放電特性、電壓對剩餘蓄電量、工作溫度範圍以及充放電週期數等。與其他電池規格一樣，週期數屬性也需仰賴各週期的放電深度。表 1 詳細總結了在二次電池中廣泛使用的兩種化學物—鎳鎘 (NiCad 或 NiCd) 和鋰離子，以及兩個基本大電容類型的主要特性。

表 1：充電式電池和電容具有各種不同的重要屬性組合。(圖片來源：KEMET Corp.)

對於需要持續運作非常久的應用，要確定儲能元件所需的毫安培小時 (mAh) 額定電量在概念上雖很簡單，但實踐起來卻很難。雖然第一層級分析是以所需功率的積分為基礎 (包括靜止的穩定狀態和脈衝模式)，但利用這些元件進行設計時，還要考慮其他許多因素，包括內部等效串聯電阻 (ESR) 所導致的損失，以及溫度相關劣化情形，而這只是其中的兩點而已。因此，需要仔細研究電池或超級電容的規格書及其各種圖表。

系統電源管理：持續的挑戰

無論是選擇電池或超級電容，還是兩者聯用，如何管理從採集傳感器到儲存元件再到負載的能源流動，都是個非常關鍵的設計問題。此功能必須確保採集的能源 (通常很小) 能以最大的效率傳輸到儲存元件，而且不會因為過度充電而縮短電池的壽命。另外，管理功能還須在需要時計量負載電流且耗用極少的功率，須能管理放電週期以避免深度放電，因為深度放電會減少滿容量電池的充放電週期次數。

在輸出端，管理器還必須實作 DC/DC 穩壓，確保負載電軌在儲存元件電壓及負載需求發生變化時，依然維持在恆定電壓。根據負載需求，此穩壓功能可為降壓或增壓模式，具體取決於所選擇的電池或電容。當儲存元件輸出電壓從高於所需的 DC 電軌變成低於此電軌時，此穩壓功能也可以是合併式降壓／增壓穩壓器。

例如，Analog Devices 的 LTC3331EUH#PBF 是一款毫微功率的降壓／增壓 DC/DC 穩壓器，具有能源採集電池充電器，已針對源電壓較高的太陽能電池進行最佳化 (圖 2)。不過，該穩壓器也能搭配電壓較低的來源，藉此實現具有備用電池的完整能源採集解決方案。LTC3331 採用小型的 5 mm × 5 mm QFN-32 封裝，擁有兩個輸入 (例如，以太陽能和壓電做為採集源) 和一個單輸出 DC/DC 穩壓器，其中後者會確定兩個輸入的優先次序。

圖 2：Analog Devices 的 LTC3331 不僅能處理兩個採集源並為其確定優先次序，還能平衡兩個超級電容和一個電池，以高達 50 mA 的電流提供 1.8 V 至 5 V 的電壓 (左)。另外，此圖還顯示 LTC3331 以採集能源替電池充電時的時序 (右)。(圖片來源：Analog Devices)

採集到的輸入可在 3.0 V 至 19 V 之間，電池電壓則可高達 4.2 V；經過穩壓的輸出電軌，在 50 mA 時可設定為 1.8 V 至 5 V。此外，該元件也支援兩個串聯的超級電容，旨在透過使用自動電池平衡，增加能源的儲存和效率。

降壓和升壓轉換器由優先排序器進行控制。這會根據電池和／或可採集能源的可用性，選擇要使用的來源。如果採集的能源可用，降壓穩壓器將處於活躍狀態，升降壓則為關閉狀態。板載式 10 mA 分流器電池充電器含有低電池電量斷開功能，可為備用電池充電，大幅延長壽命。靜態電流是穩壓器效率的關鍵因素，在採集設計中更是如此。此電流在無負載時只有 950 nA。

長期供電問題已獲得解決，又或許沒有

無論是選擇使用何種採集源，使用電池或超級電容，還是做出哪些系統取捨，這些決定可能會真的很複雜。但是，當使用採集的能源來源，尤其是搭配電池使用時，還有兩個更大的問題。首先，充電式電池的充放電週期次數並不是無窮無盡的。此類電池的典型額定週期次數為 1000 或 2000 次，即使在最佳的充放電條件和溫度下，也無法滿足數十年來的需要。

其次，還有一個難以量化的更大問題，涉及到能源來源以及傳感器。面對髒污、灰塵、附近阻絕光線的建築物，或漸漸遮住太陽能電池的樹木，太陽能電池是否真的能數十年一直得到充分的照明？振動來源是否能總是得到刺激，即使其背景和運作環境發生變化？在許多實際的安裝中，這些都是非常難以解決或確認的問題。

在儲存方面，若考慮將非充電式的一次電池連續使用數十年之久，似乎有點不合常理，即使具有微安培或低毫安培的負載。畢竟，電池難道不會乾掉、腐蝕，或發生其他長期相關弊病嗎？但事實上，只要在正確的條件下使用正確類型的一次電池，這是一種非常可行的採集替代方案。此外，根據定義，使用一次電池能完全避免所有和充放電週期及管理有關的問題。

話雖如此，一次電池不可避免地存在日益惡化的現象，即自放電，即使電池沒有負載或已物理斷開，內部依然會有少量而有限的漏電流。大多數類型的一次鋰電池，每年的自放電量大約為初始電量的 3% 至 4%。

基礎數學顯示，當自放電率為 4% 時，電池電量大約 12 年後會劣化到原始值的一半左右，這還不包括任何因負載而造成的電量損失。由於自放電的關係，透過簡單計算負載電流損耗量和初始電池電量的關係來判斷使用壽命其實太過樂觀，坦白說不切實際。因此，大多數一次電池都不適合用於長達數十年的應用。

然而，若電池以鋰亞硫醯氯 (LiSOCl₂) 化學物為基礎，並採用線軸型內部排列和自行研發的製程，則可持續運作數十年，而不會產生過多的自放電。當在很多電路中以極低的電流位準使用且自放電率低於 1% 時，這種電池能驅動系統長達二、三十年，甚至四十年 (圖 3)。此外，這種電池的重量也很輕，但容量卻很密集，高效能 LiSOCl₂ 電池按重量的能源密度大約為 650 W-hr/kg，按體積的能源密度大約為 1280 W-hr/dm³。

如圖 3 所示，Tadiran 的 LiSOCl₂ XOL 系列在 20 年後可提供 86% 的額定電量 (左)。LiSOCl₂ XTRA 系列在 10 年後可提供 80%，而其他化學物則降至 70% (中)。鋰二氧化錳 (LMNO₂₎ 和鹼性電池的年自放電率很高，因此電池續航力不可能達到 10 年以上 (右)。

圖 3：在 10 年和 20 年後，三種化學物純粹因自放電損失 (無負載) 而剩下的電池電量。Tadiran 的 LiSOCl₂ XOL 系列在 20 年後可提供 86% 的額定電量 (左)；Tadiran 的 LiSOCl₂ XTRA 系列在 10 年後可提供 80%，而其他化學物則降至 70% (中)。LMNO₂ 和鹼性電池的年自放電率很高，因此電池續航力不可能達到 10 年以上 (右)。(圖片來源：Tadiran Batteries)

LiSOCL₂ 自放電量很低的關鍵是氯化鋰 (LiCl) 鈍化層，當鋰接觸到電解質時，陽極表面上會立刻形成此鈍化層，從而可避免進一步發生反應或損失電量。這並非一個完美的絕緣體，雖然會極大限制自放電電流的流動，但是當負載要求時，則會被低位準電流部分地「推開」。

理論上，鈍化層的厚度可透過設計和製造來增加，以進一步限制自放電，但這樣一來，電池在較高的負載電流下將無法很好地工作。因此，需要做出取捨：接受低的自放電量，但僅限用於低耗電應用，或者進一步增加自放電，但以較高的耗電量使用電池的時間會縮短 (對於給定的額定電量)。

市面上已有針對超低耗電效能進行最佳化的電池。請看一下 Tadiran XLO 系列中的 TL-4902/S LiSOCl₂ 一次電池，尺寸為 ½ AA，直徑為 14.5 mm，長度僅為 25 mm。這款圓柱形電池的端子電壓為 3.6 V，在 0.5 mA 時的標稱電量為 1.2 Ah，電壓最低可達 2 V (圖 4)。輸出電壓隨時間變化呈平坦狀，在較低的耗電量下會大幅增加，10 µA 時達到 100,000 個小時。

圖 4：Tadiran 的 TL-4902/S LiSOCl₂ 一次電池可供應 10 µA 電流達 100,000 個小時，而且不會降低輸出電壓。(圖片來源：Tadiran Batteries)

脈衝式電流應用又如何呢？

請注意，「穿透」鈍化層需要幾毫秒的時間，因此當負載電路需要電流時，實際上會出現暫態電壓壓降，接著會緩慢上升至標稱輸出電壓。因此，為了最大限度延長這些電池的續航力，不應將其用於脈衝式負載，而應用作連續的低電流來源。

話雖如此，脈衝式負載有個便利而實用的解決方案，那就是將長續航力的連續放電低電流電池，與超級電容相結合。其中，電路會配置成讓電池以低速率連續為超級電容充電，而超級電容則用來提供更高的脈衝電流 (圖 5)。實際上，此安排將電池當作要採集的能量來源使用 (雖然這並不是標準的術語用法)。

圖 5：設計人員可透過一個方便管理的安排作法，為脈衝式負載取得超持久的電力，方法是使用長續航力的一次電池以少量連續電流為超級電容進行涓流充電，然後使用該超級電容來支援低工作週期的脈衝式負載。(圖片來源：Texas Instruments)

Texas Instruments 的 TPS62740 IC 非常適合用於此配置 (圖 6)。這款降壓轉換器接受 2.2 V 至 5.5 V 的輸入電壓，靜態電流規格為 360 nA，並採用小型的 2.2 µH 電感及 10 μF 輸出電容，可供應高達 300 mA 的電流。

圖 6：Texas Instruments 的 TPS62740 降壓轉換器允許使用電池為小型電容充電，能讓設計人員充分利用每個儲能元件的屬性。(圖片來源：Texas Instruments)

在典型的應用中，LiSOCl₂ 一次電池會直接連接到 TPS62740 並由微控制器進行控制，微控制器會啟用／停用降壓轉換器、調整輸出電壓，並實現高效充電 (圖 7)。

圖 7：整合 TPS62740 與 LiSOCl₂ 一次電池及電容後，即可在微控制器的指示下，實現高效、持久且以低靜態電流運作的電源子系統。(圖片來源：Texas Instruments)

降壓轉換器輸出會連接至兩個限流電阻，對啟動程序進行處理。此為將超級電容預先充電至最低限度 1.9 V 所必需的操作。為儲能電容預先充好電後，開關便會開啟，且電流會受到組合電阻的限制。此安排可支援低工作週期的高峰值電流負載 (例如無線 IoT 節點)，實現最長的電池續航力和數十年的使用壽命。

相較於充電式電池，使用一次電池進行能源採集有三個優點，即使是添加超級電容進行脈衝電流緩衝也是如此：

• 消除採集傳感器本身的成本及其長期生存能力的不確定性
• 消除與充放電週期次數受限有關的電池管理問題及其對放電深度和工作溫度的依賴
• 簡化電源管理子系統

結論

要設計出能在無人看管或介入下提供數十年能源的電源供應器，是一項艱鉅的挑戰。即使是許多感測器型 IoT 應用中使用的、要求相對適中的超低電流和電源設計，也很難做到。

雖然使用充電式電池進行能源採集，是更顯而易見，也許更為直覺的選擇，但為低電流應用單獨使用低鈍化的 LiSOCl₂ 一次電池，或是為脈衝式低工作週期負載整合該電池化學物與超級電容，是個極佳的替代選擇。