設(shè)計(jì)任務(wù)很明確：構(gòu)建一個(gè)小型數(shù)據(jù)記錄器，一旦到位就無(wú)法訪問(wèn)，但必須至少運(yùn)行 20 年。電池更換不是一種選擇，因此您對(duì)單位時(shí)間壽命目標(biāo)的當(dāng)前要求進(jìn)行基本數(shù)學(xué)計(jì)算，添加 2 倍“安全系數(shù)”，并選擇具有計(jì)算出的毫安時(shí) （mAH） 的主要不可充電電池容量等級(jí)。供電二十年以上的問(wèn)題就解決了，對(duì)吧？

不，這不對(duì)。

閱讀所選電池?cái)?shù)據(jù)表的詳細(xì)信息，其中提到了電池的“自放電”，與任何負(fù)載無(wú)關(guān)。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(huì)發(fā)現(xiàn)電池的實(shí)際使用壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于第一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)算所示的壽命。事實(shí)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(méi)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(gè)因素。但是，更大的電池已經(jīng)沒(méi)有空間了，所以它又回到了重新考慮整個(gè)電源的情況。

有什么選擇？有幾個(gè)：

? 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(wú)法接受，并且還會(huì)增加成本）。

?看看可充電（二次）電池是否——這是一個(gè)很大的“如果”——它可以通過(guò)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”電池單元，但自放電率也較低（他們確實(shí)制造它們），并按照供應(yīng)商的規(guī)定使用它，這樣它就可以在應(yīng)用中持續(xù)數(shù)十年。

? 使用超級(jí)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(chǔ)、流動(dòng)，甚至充電（再次，從什么充電？）。

可充電電池選項(xiàng)看起來(lái)很有吸引力，但有兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，即使是優(yōu)質(zhì)的可充電電池也只能進(jìn)行幾千次充電/放電循環(huán)——這需要適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電池管理。您需要專門的 IC 來(lái)進(jìn)行庫(kù)侖計(jì)數(shù)或其他管理方法，但這沒(méi)問(wèn)題。

其次，雖然收獲似乎是一種“免費(fèi)”的能源，但事實(shí)并非如此。您需要收獲傳感器（太陽(yáng)能？振動(dòng)？溫度變化？空氣/水流？）和收獲管理電路，同樣是一個(gè) IC。無(wú)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(shù)木生長(zhǎng)并為太陽(yáng)能電池遮蔭，東西被“擋道”移動(dòng)，未來(lái)還有許多其他導(dǎo)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(wèn)題。此外，小型傳感器設(shè)置可以收集的能量非常有限，可能不足以滿足應(yīng)用需求。

?超級(jí)電容器可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。與化學(xué)電池及其隨時(shí)間降解的化學(xué)過(guò)程不同，超級(jí)電容器依賴于物理現(xiàn)象，因此沒(méi)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(jí)電容提供初始能量和補(bǔ)充能量。

這就是為什么您可能需要為這個(gè)應(yīng)用程序“用盡電池”來(lái)思考。有一些主要的、不可充電的電池，例如來(lái)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(shí)，而輸出電壓不會(huì)降低。但是，它們適用于消耗極低的應(yīng)用，而不適用于高功率脈沖電流負(fù)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(guò)來(lái)又增加了自放電。因此，應(yīng)用本身必須具有較低的、相對(duì)恒定的負(fù)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(yīng)用程序會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于深度睡眠狀態(tài)，然后會(huì)出現(xiàn)突發(fā)活動(dòng)，尤其是在它們具有無(wú)線鏈接的情況下。

事實(shí)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(jí)電容器，并使用前者對(duì)后者進(jìn)行涓流充電。反過(guò)來(lái)，超級(jí)電容器可以提供應(yīng)用所需的功率脈沖——超級(jí)電容器擅長(zhǎng)提供功率脈沖而不會(huì)降低或損失功率。德州儀器 （TI） 的 TPS62740 等 IC 設(shè)計(jì)用于在這種配置中將電池與超級(jí)電容器配對(duì)，圖 2。是的，有成本（IC、電池、超級(jí)電容器），但最終可能最有意義。

無(wú)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(xiàng)艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。太糟糕了，您不能使用一種經(jīng)過(guò)充分測(cè)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(shù)為許多遠(yuǎn)程/持續(xù)時(shí)間的航天器提供動(dòng)力，包括相同的航海者 1 號(hào)和航海者 2 號(hào)，它們都于 1977 年發(fā)射，計(jì)劃任務(wù)壽命僅為五年。現(xiàn)在，42 年后，航海者 1 號(hào)距離地球約 115 億英里，而航海者 2 號(hào)距離地球超過(guò) 130 億英里，并且都最近離開(kāi)了我們的日球?qū)樱ㄌ?yáng)影響區(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?zé)犭姲l(fā)電機(jī) （RTG），至今仍在運(yùn)行超過(guò) 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?cái)?shù)據(jù)。

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

審核編輯：郭婷