如何为物联网设备选择合适的电池

物联网（IoT）依赖于使用自主的，无线连接的传感器来传递有关不断变化的环境条件的数据，这些数据通常位于偏远，难以到达的位置。因此，物联网传感器节点需要能够在多年内提供自己的功率。

尽管物联网传感器节点可能利用能量收集来提供电力，但可用的能量很小且通常不可靠。传感器节点通常需要一些临时存储能量的方式，以便在必须进行读取或无线发送消息时准备就绪。一种选择是提供小型可充电电池或存储电容器。然而，这些存储机构具有其自身的缺点，这些缺点会限制它们的有用性：可充电电池在几百次充电 - 放电循环后磨损并且需要更换，并且超级电容器不仅会随着时间改变它们的特性而且会快速自放电。自放电每天可高达20％，导致大部分转换后的能量被浪费。为了确保在物联网产品的整个使用寿命期间可以提供电力，可能需要使用原电池。可以通过能量收集和存储子系统的组合来补充。通过使用收获，可以在其主电池耗尽并且需要更换或节点本身被丢弃之前延长传感器节点的可用寿命。

传感器节点的功耗曲线趋于遵循一种模型，通过该模型，节点的活动主要局限于短脉冲，通常采用传感器读数，如果读数超出预期范围，则通过无线链路发送警报。在所有其他时间，大多数电子设备将处于低功耗睡眠模式。因此，功耗将表现为一系列脉冲，可能具有不同的高度和持续时间，具体取决于任何时候有多少电路处于活动状态。

电池化学是主要电源的关键考虑因素基于物联网的系统，因为它将与使用模式和整体电路设计强烈相互作用。一些化学品提供长期储能，但受到需求大峰的不利影响，尽管可以通过使用超级电容器在主电池和电路需求之间提供缓冲来解决这个问题。其他化学物质可以提供突然的能量脉冲，以帮助驱动更长距离的RF传输但是不提供如此长的存储寿命，因此限制了传感器节点的使用寿命。放电电压也是一个重要的考虑因素 - 它将降至低于标称电压，这必须由电路设计处理。例如，电池可能会出现1.5 V的标称输出并且低于标称电压几乎完全放电时为0.9 V.如果电路不能在1 V以下工作，那么电池将无法提供其最大额定能量，因为最终的储液器不能使用。对于大多数化学品而言，衰减通常在放电曲线末端更快，因此可以有效地提取90％的能量。然而，重要的是要检查放电曲线，因为锂电池通常随时间保持比碱性更高的电压。使用电压在其寿命结束时具有更高电压或假设可能浪费10％到20％的电池可能会对使用升压转换器的效率损失进行合理的权衡，从而可以提取几乎所有可用的电容原电池化学成分分为两大类，即基于锂的类和基于锌的类，尽管其中的亚类可具有完全不同的性质。目前生产中有三种主要的锌基化学品。尽管锌空气电池具有高的自放电率，但它们的能量密度几乎达到1.7 MJ/kg，因此通常会被排除在外。通常，细胞仅在几个月内有效。因此，基于二氧化锰和锌粉组合的碱性电池提供了更具吸引力的选择。碱性电池技术已广泛应用于具有与烟雾探测器等物联网传感器节点类似特性的低占空比应用中。单个电池的标称电压为1.5 V，接近完全放电时降至0.9 V以下。各种形状因数的Akaline电池由Energizer和Panasonic制造。

图1：恒定负载条件下Energizer EN91碱性电池的放电特性。

碱性的替代品是较旧的锌碳技术。然而，这提供了较低的性能，并且通常仅在成本是主要挑战时考虑因为能量密度是碱性的三分之一。与碱性化学物质一样，锌 - 碳往往具有较低的自放电率，允许在长达十年的时间内使用。

另一种变体，尽管由于其使用的贵金属而在较大尺寸下可能成本较高是氧化银，它是基于在阴极中使用氧化银的碱性化学物质。自放电率为每年5％，提供相当长的存储寿命。该化学物质的一个优点是其非常平坦的放电曲线及其提供高峰值功率水平的能力，而不会对有效容量产生不利影响。能量密度通常比碱性电池高约15％。 Energizer提供各种按钮形式的氧化银电池。

锂电池具有多种外形，但最常见的是按钮或纽扣电池格式，用于物联网类应用。 BR形电池通常由碳单氟化物凝胶和锂合金制成。它们提供非常低的自放电特性，因此用于需要非常长的维修间隔和相对低功率要求的应用，例如计量系统。当几乎完全放电时，这种电池的标称电压为3.0 V，低于2.2 V. Panasonic提供的锂电池容量从低于50 mAh到500 mAh或更高。

CR型锂电池用二氧化锰材料代替BR的阴极。该材料具有降低电池内部阻抗的优点。这导致CR单元提供比其BR对应物更高的脉冲电流，其代价是略高的自放电率和高温下的低性能。锂CR电池采用硬币和其他形状因子制造，最初设计用于供应商如Energizer，FDK和Panasonic等便携式相机。锂电池的另一个变体是锂亚硫酰氯化学。这些电池最近比其他锂化学品引入，并提供极低的自放电率，使电池寿命达到20年或更长。制造商Tadiran声称在某些情况下高耐久性产品的使用寿命长达40年。采用该化学物质的电池随着时间的推移受益于非常平坦的放电曲线，使得端子电压在其整个使用寿命期间保持相对恒定。这种电池的标称电压为3.6 V，完全放电电压为2.2 V，尽管只在电池使用寿命结束时才会遇到。电池有硬币/晶圆或圆柱形式，后者通常提供更高的能量密度。

图2：Tadiran TL-5186（一种使用锂电池）的放电特性亚硫酰氯组成。

物联网传感器节点开发人员可以选择多种原电池，可以将化学成分调整到所需的寿命，突发电流能力和成本特性。随着研究对锌和锂基化学品的进一步改进，可以预期进一步改进，特别是在寿命和自放电性能方面。