优化长寿命电池供电系统的特性

电池寿命是开发将填充工业物联网（IIoT）的无线传感器节点的关键考虑因素。在许多应用中，传感器节点需要安装在难以到达的位置，更不用说服务了。传感器节点在能量方面需要自主，因为它太昂贵且难以为其运行电源线或让维护人员定期更换电池。

以及处理电子设备的低功耗，电池本身需要能够支持很长的服务时间：可能长达20年。许多电池化学品由于其自放电率而无法支持如此长的使用寿命，即使在支持专用的低能耗电子产品时也是如此。

锂亚硫酰氯化学反应具有非常低的自放电率。因此，该化学物质为原始电池技术提供了迄今为止所见的最长寿命和最高能量自主性，适用于物联网传感器节点和小尺寸重要的其他设备。锂亚硫酰氯化学品的使用寿命已在近40年的时间内得到证实。 AA电池在电表中的使用寿命超过20年。

然而，随着长寿命电池供电系统的应用范围的扩大，重要的是要考虑到电池的特性。锂亚硫酰氯化学。向传感器节点添加无线通信以及执行功能（例如打开和关闭气体或液体阀门的能力）会增加电池所需的峰值电流。

典型传感器中的微控制器 - 节点或计量应用程序将在大部分时间处于睡眠状态，唤醒以定期读取数据以将其存储在本地存储器中。在较不频繁的间隔，微控制器将激活无线通信模块并将存储的数据包发送到网关或服务器。当无线接口正在传输时，所需的电流可能达到500 mA;但它只需要几百毫秒的时间。

虽然电池的标称额定值似乎可以支持这种短期峰值电流，但老化的不可避免的影响可以减少现场一生。来自电池的可用容量不仅受到自放电率的影响，而且受到由产生大电流脉冲引起的阻抗逐渐上升的影响。

图1：不同大小的电流脉冲对电压随时间的影响，显示连续脉冲的潜在累积效应。使用恒定的低电流将恢复电压水平。

锂亚硫酰氯电池化学品的自放电率非常低主要是由于氯化锂的钝化层在阳极表面排出时形成。该绝缘层限制电流流动，但通过在电池上放置负载而部分地移位。然而，由于形成穿过钝化层的导电路径所需的化学过程，所以存在延迟。这表现为瞬态电压降，随后在恒定负载下电压缓慢上升。

瞬态电压降取决于钝化层的厚度和密度。放电电流越高，供给的电压越低。部分放电电池然后去除负载往往会增加钝化量，增加电压降低和延迟每次。

如果是D尺寸电池，如Tadiran TL-5134/P，在连续负载大约50μA的情况下逐渐放电，可以预期在超过十年的时间内继续提供接近其标称电压的电流。但是，如果要求电池提供更大的电流脉冲，则情况会发生变化。采用相同的D尺寸电池并使用它来提供150 mA的电流脉冲，Tadiran的实验表明，相同的电池将维持3 V的电压约两年。之后，电压开始下降，五年后逐渐降至1.5 V.在预计电压高于1.5 V的电路中，电池在五年后似乎完全放电，而不是十或二十。然而，电池仍然有足够的存储电量，如果系统能够利用它，可以继续提供另外十年所需的能量。

锂电池持续使用寿命长的关键亚硫酰氯电池可以消除电流需求，因此不会产生大电流脉冲。这要求使用能量缓冲方案来提供能量脉冲，电池为缓冲电路提供恒定的电荷流。

提供受控能量缓冲的一种方法是采用大容量电容器和DC/DC转换器如德州仪器TPS62740可调节电荷流入电容器。为了确保有足够的电荷来操作数百微秒的无线链路，双层电容器或超级电容器提供了合适的选择。

图2：使用带有TPS62740的微控制器来控制提供给超级电容器的电压。

电路设计采用DC/DC转换器输出端的电阻，用于限制流入超级电容器的电流，以及从高容量原电池（如Tadiran XTRA系列中的电池）中提取的电流。需要选择电阻以将电流需求保持在与长使用寿命一致的水平。虽然可以通过电阻将主电池连接到电容器，但使用DC/DC转换器的优点是它可以动态调整其输出电压，以最大限度地减少电阻器的能量损失。

可编程DC/DC转换器（如TPS62740）可以在超级电容器向其最大容量充电时，逐步增加其输出电压。建议的曲线是每30或60秒增加100 mV。整个充电时段可以在十分钟或更长时间内。但是，在此期间，由于电源电压逐渐升高，电阻上的压降始终小于100 mV。虽然电池的电流需求会在每次升压电压衰减之前急剧上升，但所需的电流大约为2 mA至4 mA，这对内阻的影响不会太大。

DC/DC转换器将提供电荷的电压范围将受到两个因素的限制 - 电容器下游提供的微控制器所需的电压和超级电容器的最大电压（通常为2.5 V至2.7） V范围。嵌入式微控制器可能需要1 V至2 V的电压范围。因此，DC/DC转换器的工作电压范围为1 V至2.7 V，可能更窄，具体取决于微控制器和超级电容器的选择。

启动时，超级电容器需要充电至微控制器预期的电压水平。对于该阶段，可以使用更大的电阻器来适当地限制流入超级电容器的电流。一旦达到初始目标电压，就可以接通一个较小的电阻，以最大限度地减少总损耗。这可以通过平行布置两个电阻来实现。由微控制器操作的常开开关确保在启动期间使用更高的电阻路径。达到该电压水平后，微控制器切换到较低的电阻路径。

由于DC/DC转换器和限流电阻的开关转换，会有一些损耗;但步进式操作有助于将整体效率保持在接近90％的水平。功率控制策略的结果是最大化锂亚硫酰氯电池寿命的电路。

图3：使用a在充电期间逐渐踩下电压，然后在无线电模块激活时进行放电循环。