利用混合技術集結電池與超級電容的優勢，為 IoT 設計供電

無論是小型物聯網 (IoT) 節點、資產追蹤與智慧儀表等應用，乃至於設備備用電源及狀態回報等更大型的應用，其相關產品的設計人員越來越需要獨立的充電式電源。一般來說，設計人員僅能選擇電化學電池，而這類電池的運作通常是基於鋰 (Li) 離子化學；或者可以選擇通常稱為超級電容或超電容的電雙層電容 (EDLC)。無論是單獨或合併使用，問題在於每種技術都有特定的限制，因此開發人員需要針對其設計目標，對每種技術的功能和侷限性進行衡量取捨。

這些目標，特別是低功率 IoT 與工業物聯網 (IIoT) 應用的目標，一般包括可靠度、長工作壽命、效率、能量密度與易用性，都是為了讓設計及整合流程更簡單、縮短開發時間以及降低專案成本。雖然同時使用鋰離子與 EDLC 達成這些目標完全可行，但若要針對這兩種方式進行設計與最佳化，會是繁複的工程。因此，採用整合式作法可能更合適。

本文探討 IoT 電源設計的要求，以及電化學電池與 EDLC 所採用的相關技術。然後會介紹一種採用混合式儲能元件形式的替代作法，將電池與 EDLC 的屬性合併在單一封裝內。本文將介紹 Eaton — Electronics Division 的範例裝置，並探討這些裝置的特性及相關應用。

IoT 系統需要低功率和長工作壽命

過去幾年來，低功率、低工作週期的應用蓬勃成長，而這類應用能以相對較小的電源來運作。雖然這些裝置內的電路具有主動模式的工作電流，範圍從幾毫安至幾安培都有，但是通常能在深度睡眠模式下長時間工作，一般只需幾微安的電流。在這類裝置中使用 LoRaWAN 或低功耗藍牙 (BLE) 等低功率、低傳輸率、低工作週期的無線技術，也能有助於將功耗降至最低。

針對這些工作條件，設計人員通常會考慮兩種儲能技術，亦即鋰離子或超級電容的某種變化型技術。每種技術都會在蓄電量與密度、壽命週期、終端電壓、自放電、工作溫度範圍、高低放電速率下的效能，以及其他因素之間取捨。

儲能技術的關鍵差異

簡單來說，無論是一次電池 (非充電式) 或二次電池 (充電式)，電池是依循電化學原理運作。鋰電池包含石墨陽極及金屬氧化物陰極，兩者之間通常用液態電解質隔開，但在某些實作中可以是固態電解質。充電式電池的壽命通常僅限於幾千次充電／放電循環，這是因為內部有各種不同的衰退所致。

此外，電池需要進行精密的電池與電池組管理，才能發揮最大的工作壽命，同時預防過充、熱失控，或其他導致效能衰退、電池損壞，甚至起火等故障狀況。對設計人員來說，這些電池的放電曲線相對平整，因此可以簡化電路實作 (圖 1)。

圖 1：典型鋰離子電池的放電循環曲線顯示，在電池接近完全放電時，輸出電壓幾乎保持恆定。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

對比之下，EDLC 採用物理過程 (而非化學反應) 來儲存電能。這些裝置採對稱設計，在陽極側及陰極側都有活性碳電極。裝置的充電與放電屬於靜電處理過程，且無化學反應，並且循環壽命幾乎沒有限制。相較於電池，EDLC 的終端電壓會線性下降，是其提供能量的作用之一 (圖 2)。

圖 2：相較於鋰離子電池，超級電容在釋放儲存的電荷時，輸出電壓會穩定下降。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

在被動式元件的世界裡，EDLC 技術是相對較新的開發技術。甚至在 1950 及 1960 年代，若按當時傳統的知識認定，即使僅有一法拉的電容，其尺寸就跟一個房間一樣大。但是，對材料與表面技術進行研究後，產生了新的結構與製造技巧，最終造就了號稱超級電容的技術，可在一個相當於其他基本被動元件大小的封裝中，提供數十甚至數百法拉。

拓撲選項也需取捨

由於電池與 EDLC 之間具有基本的設計與效能差異，設計人員必須決定只使用一個儲能裝置，還是將兩者結合。如果選擇結合，就必須在不同的拓撲中選擇，每一種都有各自的取捨點，以及在效能上的影響 (圖 3)。

圖 3：設計人員能以三種常見的拓撲結合超級電容與電池：(從上方開始) 以獨立單元形式並聯，或透過控制器／穩壓器合併。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

• 並聯的作法最簡單，但是超級電容的運用未達到最佳化，而且輸出電壓會直接受限於電池電壓。
• 若將電池與超級電容當成獨立單元使用，在有非關鍵性基礎負載及獨立的關鍵負載時，可達到最佳運作，因為此單元會獨立供電給每個負載。但是，此種作法不能在獨立單元之間提供任何形式的協力作用優勢。
• 智慧型配置可以結合每個能量來源的功能，並將運作時間與循環壽命最大化，但需要使用控制器等額外的管理元件，並且在兩個電源與負載之間進行 DC/DC 穩壓。此種拓撲最常搭配運輸相關的電源單元使用。

使用這類拓撲時，電池與超級電容就無法「二擇一」。設計人員可以選擇兩者都使用，但若要結合電池與超級電容，設計人員就會面對一個難題，要在兩者的不同特性之間找到最佳平衡點。

好消息是，有一款創新元件已問世，因此在選擇使用電池或超級電容，或兩者並用時，不必再面對「二擇一」的窘況。Eaton – Electronics Division 提供的混合式儲能元件系列，可在單一封裝中結合兩者的屬性，完全不需要任何妥協。

混合式超級電容的例子

混合式超級電容將電池與超級電容的底層結構合併在一個實體單元裡。這些混合式元件並非只是將不同的電池與超級電容配對，並封裝在一個常見外殼內這麼簡單。相反地，這些元件屬於能量來源，將電池的化學特性與超級電容的物理特性結合至單一結構中。結果，這些混合式元件克服了電池與超級電容各自的缺點，同時具備開發人員滿足設計需求的明顯優勢。

混合式超級電容屬於非對稱性元件，由摻雜鋰的石墨陽極以及活性碳陰極所組成。雖然充電的動作主要是靠電化學作用完成，但與鋰離子電池相比，其深度遠遠不如。

至於其他屬性，這種技術結合可達到相當高的壽命週期數 (典型值最少為 500,000 個週期)，對於高放電速率也會很快回應 (圖 4)。

圖 4：混合式超級電容克服充電／放電週期及電池的速率限制，還有其他優點。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

另一個額外的優點是，因為未使用金屬氧化物，所以這些混合式超級電容沒有起火或熱失控的危險。輸出特性與充電電量之間的關係也符合低電壓、低功率系統的需求 (圖 5)。

圖 5：混合式超級電容的輸出放電曲線介於電池與標準超級電容的曲線之間。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

如同所有元件與設計方法，每種儲能解決方案在效能與功能上都會有所取捨。表 1 顯示典型案例中相對於彼此的正面屬性 (「+」) 與反面屬性 (「-」)。

表 1：電池、超級電容與混合式超級電容的典型特性比較表顯示，混合式選項集兩者的優勢於一身。(表格來源：本文作者使用 Eaton – Electronics Division 的資料製成)

經驗豐富的工程師都知道，沒有一種所謂的完美作法。很多時候，在某個可用解決方案中，有一樣正面屬性是如此重要，以致於其他任何作法都無法取代。因此，系統需求將決定最後的解決方案為何。

混合式超級電容可擴大法拉／蓄電量範圍

某些特殊元件僅能提供有限數量的規格，但這些混合式超級電容則不同，可提供相當寬廣的效能範圍。舉例來說，在效能範圍低端的產品有 HS1016-3R8306-R。這是 Eaton 的 HS 系列 圓柱型混合式超級電容電池中的 30 F 產品，長度為 18 mm，直徑為 10.5 mm (圖 6)。

圖 6：Eaton 的 HS1016-3R8306-R 是 HS 系列圓柱型混合式超級電容電池中的一款 30 F 產品。(圖片來源：Eaton – Electronics Division)

HS1016-3R8306-R 的工作電壓為 3.8 V，其初始 ESR 的關鍵規格屬於較低的 550 mΩ，因此可達到相當高的功率密度，最多可達到標準超級電容的八倍。本產品可以提供 0.15 A 的連續電流 (最大達 2.7 A)，而且蓄電量額定值為 40 mWh。如同所有 HS 系列成員，本產品經過 UL 認證，可以大幅簡化整體產品的核准流程。

HS1625-3R8227-R 屬於相同系列中蓄電量較大的混合式超級電容，是一款圓柱形 220 F 元件，長度為 27 mm，直徑為 16.5 mm，ESR 為 100 mΩ，最高可提供 1.1 A 連續電流及 15.3 A 峰值電流。總蓄電量為 293 mWh。

Eaton 混合式超級電容兼具蓄電量、效能與實體規格，相當適合提供單獨的脈衝功率，以用於智慧儀表或與電池並聯的無線鏈路。在工業製程與可編程邏輯控制器發生短暫中斷或暫時低壓期間，這類產品也相當適合提供「不間斷運行」的電力，因此就算短暫出現電力問題，也可避免其往往會引起的長時間停機情況。同樣地，這些產品也可以在這類電力中斷情況下，支援資料中心的揮發性快取記憶體、伺服器，以及多碟 RAID 儲存設備。

結論

對 IoT 系統的設計人員來說，混合式超級電容是優良的儲能及電力傳輸選項，原因是這些產品具備高能量密度、長循環壽命與較高的工作電壓。採用這類混合式超級電容打造的設計，所需的電池較少，體積也比標準超級電容更小，同時所能滿足的溫度與壽命的要求，比單純使用電池的情況更優異。這些混合式元件無需困難的取捨及妥協，能讓設計工程師更輕鬆達成艱鉅的專案目標。

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