設計任務很明確：構建一個小型數據記錄器，一旦到位就無法訪問，但必須至少運行 20 年。更換電池不是一種選擇，因此您對單位時間壽命目標的當前要求進行基本數學計算，添加 2 倍“安全系數”，并選擇具有計算出的毫安時 （mAH） 的主要不可充電電池容量等級。供電二十年以上的問題就解決了，對吧？

不，這不對。

閱讀所選電池數據表的詳細信息，其中提到了電池的“自放電”，與任何負載無關。這種自放電是每年電池初始容量的 4-7%。再次查看這些數字，您會發現電池的實際使用壽命將遠遠低于第一個簡單計算所示的壽命。事實上，40-70% 的電池容量將在十年后消失，即使數據記錄器本身沒有任何能量消耗。

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因素。但是，更大的電池已經沒有空間了，所以它又回到了重新考慮整個電源的情況。

有什么選擇？有幾個：

? 更改數據記錄器的尺寸限制并使用更大的電池（可能無法接受，并且還會增加成本）。

?看看可充電（二次）電池是否——這是一個很大的“如果”——它可以通過某種收獲方案充電。

? 獲得具有相同物理尺寸和mAH 額定值的“更好”的電池單元，但具有更低的自放電（他們確實制造它們），并按照供應商的規定使用它，這樣它就可以在應用中持續數十年。

? 使用超級電容器（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、流動，甚至充電（再次，從什么充電？）。

可充電電池選項看起來很有吸引力，但有兩個缺點。首先，即使是優質的可充電電池也只能進行幾千次充電/放電循環——這需要適當的電池管理。您需要專門的 IC 來進行庫侖計數或其他管理方法，但這沒問題。

其次，雖然收獲似乎是一種“免費”的能源，但事實并非如此。您需要收獲傳感器（太陽能？振動？溫度變化？空氣/水流？）和收獲管理電路，同樣是一個 IC。無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，樹木生長并為太陽能電池遮蔭，東西被“擋道”移動，未來還有許多其他導致光線阻塞的原因。其他收獲源及其傳感器也有類似的潛在問題。此外，小型傳感器設置可以收集的能量非常有限，可能不足以滿足應用需求。

?超級電容器可能是一個不錯的選擇。與化學電池及其隨時間降解的化學過程不同，超級電容器依賴于物理現象，因此沒有可充電電池的充電/放電循環限制。但是你仍然需要為超級電容提供初始能量和補充能量。

這就是為什么您可能需要為這個應用程序“用盡電池”來思考。有一些主要的、不可充電的電池，例如來自 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，而輸出電壓不會降低。但是，它們適用于消耗極低的應用，而不適用于高功率脈沖電流負載（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。這反過來又增加了自放電。因此，應用本身必須具有較低的、相對恒定的負載消耗，而不是低占空比的脈沖功率需求。但是，許多數據記錄器類型的應用程序會長時間處于深度睡眠狀態，然后會出現突發活動，尤其是在它們具有無線鏈接的情況下。

事實證明，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電容器，并使用前者對后者進行涓流充電。反過來，超級電容器可以提供應用所需的功率脈沖——超級電容器擅長提供功率脈沖而不會降低或損失功率。有一些 IC，例如德州儀器 （Texas Instruments） 的 TPS62740，設計用于在這種配置中將電池與超級電容器配對，圖 2。是的，有成本（IC、電池、超級電容器），但最終可能最有意義。

無論選擇何種能源和方法，即使在超低電流水平下提供數十年的電力也是一項艱巨的設計挑戰。太糟糕了，您不能使用一種經過充分測試且已知可行的方法：收集熱源，例如放射性钚的衰變。

該技術為許多遠程/持續時間的航天器提供動力，包括相同的航海者 1 號和航海者 2 號，它們都于 1977 年發射，計劃任務壽命僅為五年。現在，42 年后，航海者 1 號距離地球約 115 億英里，而航海者 2 號距離地球超過 130 億英里，并且都最近離開了我們的日球層（太陽影響區域）。他們最初的 500 W 電源子系統，正式名稱為放射性同位素熱電發電機 （RTG），至今仍在運行超過 40 年，目前產生約 250 W 的功率，并允許他們的儀器套件仍然發回數據。

但對于您的數據記錄器，使用钚能源當然不是一種選擇。因此，您必須通過某種方式使用一次電池、二次電池、超級電容器和能量收集來滿足項目目標。

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審核編輯：郭婷