超級電容器可以消除感測器節點的功率需求

　　物聯網(IoT)感測器節點通常需要能夠維持短時間的活動爆發。然而，電池需求的突然變化可能會比預期更快地耗盡電池，給遠端安裝帶來問題，並且可能要求使用比必要的更大，更昂貴的電池。超級電容器提供了一種方式來提供短時間的爆發活動所需的電量，而不會給電池子系統帶來壓力。本文探討了超級電容器在物聯網設計中的作用，並解釋了它們的化學特性如何使它們能夠為突發活動提供支援。

　　物聯網承諾通過使用高度分散式的半自動感測器和執行器節點，將精確地放置在需要的地方，大大增加處理環境，運輸和工業控制的系統的智慧。物聯網感測器節點設計的關鍵要素之一是其能量自主性：使用能量收集，長壽命電池或兩者結合以確保五年，十年甚至二十年的使用壽命。對於這一類設計，每個毫焦耳都很重要，要求仔細關注細節。

　　在感測器節點的整個使用壽命期間，平均功耗將非常低，這使得在某些情況下可以提供收割機(如光伏(PV)模組)所需的全部能量。然而，平均功耗隱藏了感測器節點工作週期的影響。

　　通常情況下，IoT節點將大部分時間用於低功耗睡眠模式，只是週期性地喚醒才能讀取感測器。微控制器通常會使用硬體輔助來減少處理器核心本身需要開始執行軟體的次數。感測器介面的專用狀態機可以設定為讀取資料，然後僅在MCU處於程式設計限制之外時才向MCU傳送中斷。如果發生這種情況，MCU可以喚醒並執行進一步的處理，並且如果這是需要報告的重要變化，則可以通過低功率無線電頻率連線將無線訊息傳送到遠端伺服器。

　　由此產生的功耗曲線類似於一系列不同高度的脈衝，具體取決於需要在任何一點啟用的模組數量。雖然目前的消費量在很大程度上是可以預測的，但它在整個系統的生命週期中確實表現出很大的波動。在這種型別的環境中，電池組和能量收集器不一定以最佳效率工作。

　　電池需求的突然變化可能會比預期更快耗盡電池，從而導致遠端安裝問題，並且可能要求使用比必要的更大，更昂貴的電池。例如，鋰亞硫醯氯原電池通常用於無線感測器節點，因為它們每克具有高容量並且表現出低自放電(每年可低於1%)，這有助於延長使用壽命。主要由於內部電阻的損失，用更高的電流放電這些電池會導致能量效率低於預期。

　　超級電容器，也稱為雙層電容器，能夠滿足具有“突發”功率要求的設計。儘管在自放電引起的能量損失與持續電池充電引起的問題之間存在明顯的折衷，但它們降低化學電池峰值功率需求的能力也有可能延長其壽命，這是消費電子裝置的關鍵因素。

　　超級電容器採用雙層結構，其中兩個非反應性多孔碳電極浸入有機電解質中。當對板施加電壓時，帶正電的板上的電勢吸引帶負電的離子，並且帶正電的離子移動到相反的板上。該運動產生兩層獨立的電容式儲存器，每塊板上各有一層。

　　多孔碳基電極材料的結構使其表面積達到每平方米1000平方米，提供了非常高的平板面積，並因此提供了電容。超級電容器也受益於板與儲存電荷之間的奈米距離非常小，由電解質中離子的大小控制。

　　與純靜電元件相比，大表面積和非常小的電荷分離的組合給超級電容器增加了電容。但是，沒有實際的化學反應：電化學變化完全基於電解質的極化。因為這些變化純粹是基於兩極分化的，所以這個過程是高度可逆的，使超級電容器能夠被充電和放電數十萬次。

　　超級電容器也具有較低的等效串聯電阻，這使得它們能夠非常快速地放棄其能量以產生非常大的電流。超級電容器也不像化學電池那樣受到溫度的影響，因為它們不依賴於可能因低溫而減慢的化學反應。這些部件已用於需要在幾秒鐘內充電的應用，然後在可能持續數秒至數分鐘的時間內放電。它們經常被用作電源的備份以消除間歇性的下降。

　　在物聯網應用中，超級電容可以在電池和其他電路之間提供緩衝，支援MCU和無線子系統的短期需求，而不會對電池本身造成太大的壓力。同樣，超級電容器可以充當依靠環境採集的系統的電荷儲存器，在一段時間內建立足夠的能量以維持短期突發需求。或者，超級電容器可用於防止在系統靜止時用於調節來自電池或收集器的功率的DC / DC轉換器的過多功率需求，但在長時間睡眠期間需要維持一些功能。

　　作為能源儲備，超級電容器與電池相比具有幾個關鍵優勢。與具有確定的迴圈壽命的電化學電池相比，超級電容器可以充電和放電幾乎無限次。有一些老化的影響。在正常情況下，超級電容器在10年內從原來的100%容量衰減到80%左右，但與正常情況下的等效二次電池相比，這種降級更少。除了支援許多充放電迴圈的能力之外，超級電容器的內阻更低，因此可以提供高達完全放電點的高電流。

　　超級電容器存在缺點，主要是其自放電率遠高於化學電池的自放電率。超級電容器儲存的能量在100個月內從100%降至50%。鎳基電池不是長壽命設計，每月可自動放電10%至15%。自放電是這種型別的裝置還不適合作為物聯網感測器節點的主要能源的主要原因。

　　在典型的物聯網應用中，自放電問題不會直接遇到，因為該元件將支援大約數秒或數分鐘的週期時間。然而，洩漏將需要考慮到能量使用和電池壽命的預測。

　　有兩種方式可以利用超級電容器來消除主要電源的電力需求。一個是作為峰值電流需求的儲存器。在這種配置中，電容器與電池並聯放置以消除電流峰值，收集器或原電池在活動爆發後將充滿電容器.¹

　　上述使用的替代方案或附加方案是允許更多的感測器節點電子裝置在休眠期間關閉。大多數設計將使用某種形式的開關DC / DC轉換器來調節MCU和感測器電路的電壓。儘管這些元件可以提供非常高的工作效率，特別是與低壓差(LDO)穩壓器相比，它們的效能通常不會針對睡眠感測器節點中遇到的超低負載情況進行優化。

　　電路中超級電容器典型用法的影象

　　圖1：超級電容器在超級電容器用於在DC / DC轉換器不工作時為感測器節點供電的電路中的典型用法。

　　即使在脈衝跳躍等低活動模式下，電流需求也可能是DC / DC轉換器本身浪費的功率。這可以決定是否在休眠期間關閉DC / DC轉換器是一個重要的考慮因素。在這種情況下，超級電容器可用於提供實時時鐘和相關電路所需的電流涓流。²

　　超級電容器的洩漏電路將在拓撲決策中起主要作用，因為洩漏可能接近高效的DD / DC轉換器，特別是如果下游電路需要一定程度的調節來克服超級電容器的輸出電壓問題隨著放電而下降。超級電容器的洩漏通常根據大約30分鐘後維持電壓所需的電流來引用。

　　目前市場上各種各樣的超級電容器在法拉範圍內(從0.1 F到5 F左右)適用於物聯網感測器節點。 NessCap，AVX，Elna，Kemet，Nichicon，Panasonic Electronic Components，Seiko Instruments和Taiyo Yuden等供應商均提供此範圍內的產品，並提供約10μA的洩漏電流。

　　通過利用超級電容器支援多個週期和高瞬時電流的能力，可以延長物聯網感測器節點的使用壽命並保持其能量的自主性。