電池壽命是開(kāi)發(fā)將填充工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵考慮因素。在許多應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要安裝在難以到達(dá)的位置，更不用說(shuō)服務(wù)了。傳感器節(jié)點(diǎn)在能量方面需要自主，因?yàn)樗嘿F且難以為其運(yùn)行電源線或讓維護(hù)人員定期更換電池。

以及處理電子設(shè)備的低功耗，電池本身需要能夠支持很長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間：可能長(zhǎng)達(dá)20年。許多電池化學(xué)品由于其自放電率而無(wú)法支持如此長(zhǎng)的使用壽命，即使在支持專(zhuān)用的低能耗電子產(chǎn)品時(shí)也是如此。

鋰亞硫酰氯化學(xué)反應(yīng)具有非常低的自放電率。因此，該化學(xué)物質(zhì)為原始電池技術(shù)提供了迄今為止所見(jiàn)的最長(zhǎng)壽命和最高能量自主性，適用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和小尺寸重要的其他設(shè)備。鋰亞硫酰氯化學(xué)品的使用壽命已在近40年的時(shí)間內(nèi)得到證實(shí)。 AA電池在電表中的使用壽命超過(guò)20年。

然而，隨著長(zhǎng)壽命電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，重要的是要考慮到電池的特性。鋰亞硫酰氯化學(xué)。向傳感器節(jié)點(diǎn)添加無(wú)線通信以及執(zhí)行功能（例如打開(kāi)和關(guān)閉氣體或液體閥門(mén)的能力）會(huì)增加電池所需的峰值電流。

典型傳感器中的微控制器 - 節(jié)點(diǎn)或計(jì)量應(yīng)用程序?qū)⒃诖蟛糠謺r(shí)間處于睡眠狀態(tài)，喚醒以定期讀取數(shù)據(jù)以將其存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器中。在較不頻繁的間隔，微控制器將激活無(wú)線通信模塊并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器。當(dāng)無(wú)線接口正在傳輸時(shí)，所需的電流可能達(dá)到500 mA;但它只需要幾百毫秒的時(shí)間。

雖然電池的標(biāo)稱(chēng)額定值似乎可以支持這種短期峰值電流，但老化的不可避免的影響可以減少現(xiàn)場(chǎng)一生。來(lái)自電池的可用容量不僅受到自放電率的影響，而且受到由產(chǎn)生大電流脈沖引起的阻抗逐漸上升的影響。

圖1：不同大小的電流脈沖對(duì)電壓隨時(shí)間的影響，顯示連續(xù)脈沖的潛在累積效應(yīng)。使用恒定的低電流將恢復(fù)電壓水平。

鋰亞硫酰氯電池化學(xué)品的自放電率非常低主要是由于氯化鋰的鈍化層在陽(yáng)極表面排出時(shí)形成。該絕緣層限制電流流動(dòng)，但通過(guò)在電池上放置負(fù)載而部分地移位。然而，由于形成穿過(guò)鈍化層的導(dǎo)電路徑所需的化學(xué)過(guò)程，所以存在延遲。這表現(xiàn)為瞬態(tài)電壓降，隨后在恒定負(fù)載下電壓緩慢上升。

瞬態(tài)電壓降取決于鈍化層的厚度和密度。放電電流越高，供給的電壓越低。部分放電電池然后去除負(fù)載往往會(huì)增加鈍化量，增加電壓降低和延遲每次。

如果是D尺寸電池，如Tadiran TL-5134/P，在連續(xù)負(fù)載大約50μA的情況下逐漸放電，可以預(yù)期在超過(guò)十年的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)提供接近其標(biāo)稱(chēng)電壓的電流。但是，如果要求電池提供更大的電流脈沖，則情況會(huì)發(fā)生變化。采用相同的D尺寸電池并使用它來(lái)提供150 mA的電流脈沖，Tadiran的實(shí)驗(yàn)表明，相同的電池將維持3 V的電壓約兩年。之后，電壓開(kāi)始下降，五年后逐漸降至1.5 V.在預(yù)計(jì)電壓高于1.5 V的電路中，電池在五年后似乎完全放電，而不是十或二十。然而，電池仍然有足夠的存儲(chǔ)電量，如果系統(tǒng)能夠利用它，可以繼續(xù)提供另外十年所需的能量。

鋰電池持續(xù)使用壽命長(zhǎng)的關(guān)鍵亞硫酰氯電池可以消除電流需求，因此不會(huì)產(chǎn)生大電流脈沖。這要求使用能量緩沖方案來(lái)提供能量脈沖，電池為緩沖電路提供恒定的電荷流。

提供受控能量緩沖的一種方法是采用大容量電容器和DC/DC轉(zhuǎn)換器如德州儀器TPS62740可調(diào)節(jié)電荷流入電容器。為了確保有足夠的電荷來(lái)操作數(shù)百微秒的無(wú)線鏈路，雙層電容器或超級(jí)電容器提供了合適的選擇。

圖2：使用帶有TPS62740的微控制器來(lái)控制提供給超級(jí)電容器的電壓。

電路設(shè)計(jì)采用DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端的電阻，用于限制流入超級(jí)電容器的電流，以及從高容量原電池（如Tadiran XTRA系列中的電池）中提取的電流。需要選擇電阻以將電流需求保持在與長(zhǎng)使用壽命一致的水平。雖然可以通過(guò)電阻將主電池連接到電容器，但使用DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是它可以動(dòng)態(tài)調(diào)整其輸出電壓，以最大限度地減少電阻器的能量損失。

可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器（如TPS62740）可以在超級(jí)電容器向其最大容量充電時(shí)，逐步增加其輸出電壓。建議的曲線是每30或60秒增加100 mV。整個(gè)充電時(shí)段可以在十分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)。但是，在此期間，由于電源電壓逐漸升高，電阻上的壓降始終小于100 mV。雖然電池的電流需求會(huì)在每次升壓電壓衰減之前急劇上升，但所需的電流大約為2 mA至4 mA，這對(duì)內(nèi)阻的影響不會(huì)太大。

DC/DC轉(zhuǎn)換器將提供電荷的電壓范圍將受到兩個(gè)因素的限制 - 電容器下游提供的微控制器所需的電壓和超級(jí)電容器的最大電壓（通常為2.5 V至2.7） V范圍。嵌入式微控制器可能需要1 V至2 V的電壓范圍。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍為1 V至2.7 V，可能更窄，具體取決于微控制器和超級(jí)電容器的選擇。

啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器需要充電至微控制器預(yù)期的電壓水平。對(duì)于該階段，可以使用更大的電阻器來(lái)適當(dāng)?shù)叵拗屏魅氤?jí)電容器的電流。一旦達(dá)到初始目標(biāo)電壓，就可以接通一個(gè)較小的電阻，以最大限度地減少總損耗。這可以通過(guò)平行布置兩個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。由微控制器操作的常開(kāi)開(kāi)關(guān)確保在啟動(dòng)期間使用更高的電阻路徑。達(dá)到該電壓水平后，微控制器切換到較低的電阻路徑。

由于DC/DC轉(zhuǎn)換器和限流電阻的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，會(huì)有一些損耗;但步進(jìn)式操作有助于將整體效率保持在接近90％的水平。功率控制策略的結(jié)果是最大化鋰亞硫酰氯電池壽命的電路。

圖3：使用a在充電期間逐漸踩下電壓，然后在無(wú)線電模塊激活時(shí)進(jìn)行放電循環(huán)。