还在为物联网电源设计犯愁?试试这个方法! (物联网以后)
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图1:典型锂离子电池的放电周期曲线显示,在电池接近完全放电之前整个过程中,输出电压几乎保持恒定不变。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)相比之下,EDLC是通过物理过程而不是化学反应来储能的。这些器件在阳极和阴极两侧都有活性炭电极,是对称的。电极的充电和放电是静电过程,没有化学反应,其循环寿命实际上是无限的。与电池相反,电极端电压是所输送电能的函数,呈线性下降关系(图2)。图2:与锂离子电池相反,超级电容器的输出电压随着它放弃所储存的电荷而稳步下降。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)EDLC技术是无源元件世界中一项比较新的开发领域。即使到了世纪年代和年代,人们的传统观念还停留在即使只有1法拉的电容器也会有1个房间那么大。然而,材料和表面技术方面的研究带来了新的结构和制造技术,并最终形成了被称为超级电容器的器件,它在一个与其他基本无源器件尺寸相当的封装内实现了数十甚至数百法拉的电容。拓扑选择需要做权衡由于电池和EDLC之间存在基本的设计和性能差异,设计者必须决定只使用一种储能器件,还是将这两者组合使用。如果选择组合使用,则设计者必须在各种不同的拓扑结构中做决定,每种拓扑结构都有各自的权衡和对性能的不同影响(图3)。图3:设计人员可以在三种常见的拓扑结构中组合超级电容器和电池:(从上至下)并联、作为*单元或通过*/稳压器进行组合。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)●并联方式最简单,但超级电容的使用效果并不理想,其输出电压直接与电池电压关联。●当有一个非关键性基本负载和一个*的关键性负载时,将电池和超级电容器分别作为*单元使用时效果最好,因为这种结构能为每个单元提供*的电源,但在这种方法下*单元之间的协同效应不具备任何优势。●智能布置能够将每个能量源的能力相结合,并最大限度地延长运行时间和循环寿命,但它需要另外的管理组件,如*和两个能量源与负载之间的DC-DC稳压;这种拓扑结构最常用于与运输相关的电力装置。当使用这样的拓扑时,无需在电池和超级电容器之间做出“非此即彼”的决定。设计者可以选择同时使用这两种器件,但将它们组合使用时,设计者必须在两种器件的不同特性之间找到最佳平衡点。好消息是,由于采用了创新组件,在选择使用电池或者超级电容器,还是两者兼而有之时,可以摆脱“非此即彼”的窘境。Eaton–ElectronicsDivision的混合储能组件系列将两者的属性整合在同一封装中,无需进行任何折中选择。混合型超级电容器的案例混合型超级电容器将电池和超级电容器的基本结构整合在同一物理单元中。这些混合组件并不仅仅是将一对独特的电池和超级电容器简单地封装在同一外壳中。而且,这种器件是将电池的化学性质和超级电容器的物理性质融合在同一结构中的能量源。因此,这种混合器件克服了电池和超级电容器各自的缺点,同时在满足设计要求方面表现出了明显的优势。混合型超级电容器是由掺锂石墨阳极和活性炭阴极组成的非对称器件。虽然充电过程主要是通过电化学方式完成的,但与锂离子电池相比,充电深度明显降低。在其他属性方面,这两种技术的组合实现了非常高的循环次数(典型最少循环至少,次)、对高放电率的快速反应能力(图4)。图4:除了其他优点外,混合型超级电容器还克服了电池充放电的周期和速率*。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)另外,由于没有使用金属氧化物,使得混合型超级电容器不会产生任何火灾或热击穿风险。输出特性与电荷水平的关系也符合低电压、低功耗*的需求(图5)。图5:混合型超级电容器的输出放电曲线介于电池和标准超级电容器之间。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)与所有的组件和设计方法一样,每个储能解决方案都会在性能和功能方面进行折衷。表1显示了典型案例中这些彼此相关的储能方案的正(“+”)和负(“-”)属性。表1:电池、超级电容器和混合型超级电容器的典型特性比较结果表明,混合型器件结合了两者的优点。(表格来源:作者,使用了来自Eaton–ElectronicsDivision的数据)经验丰富工程师都知道,没有一种方法是完美的。很多情况下,如果现有解决方案中的某个正属性至关重要,那么就会用这种方法来替代其他任何方法。因此,*需求将决定最终所采取的解决方案。混合型超级电容器跨越了法拉第/能量容量范围与一些只提供有限规格的专用器件不同,这些混合型超级电容器的性能范围相当广泛。例如,处于低端的HS-3R-R是Eaton的HS系列圆柱形混合超级电容器电池中的F单元,长mm,直径.5mm(图6)。图6:EatonHS-3R-R是一种F单元,属于HS系列圆柱形混合超级电容器电池。(图片来源:Eaton–ElectronicsDivision)HS-3R-R的工作电压为3.8V,其初始ESR临界规电阻低至mΩ,因此具有相当高的功率密度,是标准超级电容器的8倍之多。该器件可以提供0.A连续电流(最大可达2.7A),额定储能容量为mWh。与HS系列的所有器件一样,该器件获得了UL认证,能极大地简化整个的产品审批程序。至于同系列中容量更大的混合型超级电容器,HS-3R-R则是一款长mm、直径.5mm的圆柱形F器件,ESR为mΩ,可提供高达1.1A的连续电流和.3A峰值电流。其总储能容量为mWh。Eaton混合超级电容器集出色的容量、性能和物理规格于一体,非常适合为智能电表中的监听链路提供*的脉冲电源或与电池并联运行。这类超级电容器也非常适合在工业过程、可编程逻辑*的短暂停电或停电期间用作“穿越”电源,从而避免即使是短暂的电源问题也会导致的、往往是漫长的停机时间。同样,这些器件可以在此类电源中断期间向数据中心的易失性缓存存储器、服务器和多盘RAID存储器供电。结语对于物联网*的设计者来说,混合型超级电容器因其能量密度高、循环寿命长以及较高的工作电压,成为储能和送电的极好选择。与标准超级电容器相比,由混合型超级电容器构建的设计可能只需要更少的电池和更小的体积;与单独使用电池相比,能更好地满足温度和寿命要求。通过权衡和折中来解决难题,这类混合器件使设计工程师能够更容易地实现具有挑战性的项目目标。来源:BillSchweber,DigiKey