替代能源間歇性地提供少量電力，有時電力水平可能與依賴它們的應用的需求不匹配。需要某種形式的能量存儲，但解決方案將隨應用的需求而變化。本文將研究各種能量緩沖解決方案，包括小型電池，薄膜電池和超級電容器，重點介紹它們的規(guī)格和最適合的應用。

供應方

正如半導體緩沖器平滑處理器和存儲器之間的數據流一樣，能量收集源與其相關應用之間需要某種形式的緩沖。所需的緩沖量與供需之間的不匹配成比例地增加。

在供應方面，不同能量收集源的可用電量存在很大差異（見表1）。除環(huán)境射頻外，典型的能量收集設備可以提供10μW至1 mW的任何功率，但很少穩(wěn)定。太陽能顯然只有在太陽出來時才有效;振動/運動源僅在電機開啟或被監(jiān)控人員移動時起作用;熱源僅在有可靠的熱源和散熱器時才能工作，以產生熱發(fā)電機（TEG）所需的溫度梯度。

源電源采集電源燈 - 室內0.1 mW/cm210μW/cm2燈 - 室外100 mW/cm210mW/cm2振動/運動 - 人體0.5 m，1 Hz

1 m/s250Hz4μW/cm2振動/運動 - 機器1 m，5 Hz

10 m/s2in1 kHz100μW/cm2熱 - 人20 mW/cm230μW/cm2熱 - 機器100 mW/cm21至10 mW/cm2RF - GSM BSS3μW/cm20.1μW/cm2

另一個限制因素是大多數能量清除裝置的低效率。再看表1，理論上可用的源功率與使用當前可用設備可以獲得的實際功率之間通常存在幾個數量級的差異。這個問題可以通過并行添加更多太陽能電池或TEG來解決，例如，如果您的應用允許它。但是，您正在處理微功率源，并且您可以使用它們進行限制。

在許多情況下，您可以通過利用各種來源增加收獲的能量。例如，建筑物上的遠程無線應變傳感器可能將小型太陽能電池與TEG結合在一起;在橋路基上，類似的設備可能將TEG與振動傳感器結合在一起。如果您的應用可以結合光，振動和熱能源，它可以通過僅收獲這些能源無限期運行。

需求方

對供應有限的明顯反應是限制需求。如果隨著時間的推移，您的設備的能量需求等于或小于您的能量收集源所能提供的能量，那么該設備應該能夠無限期地獨立運行。如果供應不足，那么在這種情況下，你需要考慮設備在注意之前是否能夠運行的時間;如果沒有，那么能量收集源可能不是解決方案的一部分。

無線遠程傳感器節(jié)點嚴重依賴能量收集。為了最大限度地降低功耗，它們通常盡可能頻繁地關閉微控制器電源，僅喚醒以檢查信標并快速突發(fā)數據每秒幾微秒。此外，它們還采用小型低功耗軟件堆棧，如ZigBee?和Bluetooth?低功耗。一些公司甚至創(chuàng)建了自己的小型專有RF協(xié)議，例如德州儀器的SimpliciTI?和Microchip的MiWi?。

無線傳感器節(jié)點突出了對能量緩沖的需求，因為在MCU處于睡眠狀態(tài)時，傳輸期間的電流需求通常是所需的10到100倍。在這些應用中，電容器甚至超級電容器通常放置在電源線中，以便能夠處理突然的電流浪涌。沒有這種保護，薄膜電池可能會永久性損壞。

大電流電池

如果您的應用具有特別高但很少的電流要求 - 例如，周期性循環(huán)的小型電動機 - 微型鉛酸電池可能會填補這一空白。 EnerSys Cyclon 0810-0004 2 V薄板密封鉛電池，260 mA時可提供2.5 Ah電流。直徑僅為1.35英寸，高2.41英寸，吸收的玻璃墊（AGM）Cyclon電池可以適合最小的嵌入式應用。

鉛酸電池有自己獨特的充電要求。過度充電或反復完全放電這些電池會顯著縮短其預期壽命。鉛酸電池的循環(huán)壽命是放電深度（DOD），溫度和充電速率的函數。根據EnerSys的說法，Cyclon電池的壽命可以從300到2，000多次充電/放電循環(huán)。如果保持適當的充電狀態(tài)，Cyclon電池可以持續(xù)長達十年。

由于鉛酸電池的輸出電壓隨充電狀態(tài)而變化（見圖1），因此電池和應用之間的充電控制電路和電壓調節(jié)都是必要的。

鉛酸電池價格低廉，非常適合可能承受極端溫度的戶外應用。

硬幣電池

小型鋰離子紐扣電池不可充電，但它們仍然可以用于收集環(huán)境能源的低功率設備。低功耗傳感器應用可以通過能量收集源供電 - 它們的能量存儲在電容器或薄膜電池中 - 當這些源不可用時切換到紐扣電池。這種布置可以大大延長紐扣電池的壽命。

與鉛酸電池相比，由于自放電率非常低，鋰離子紐扣電池的放電曲線非常平坦（見圖2）。例如，無處不在的CR2032額定電壓為3.0 V，225 mAh，建議連續(xù)標準負載為0.2 mA。圖2顯示電池電壓保持相對平坦，同時向15kΩ負載提供190μA超過1，000小時，之后很快就會失效。

圖2：CR2032紐扣電池的放電特性（由Panasonic提供）。

錳鋰電池 - 與鋰離子電池不同 - 是可充電的，這使它們非常適合能量收集應用。 Panasonic ML-1220/F1AN是一款可充電的SMD紐扣電池，額定電壓為3.0 V，電流為17 mAh，電流為30μA。雖然其放電特性（見圖3）與CR2032類似，但ML-1220可在10％的充電狀態(tài)和額定容量之間承受1，000次充電/放電循環(huán)。該器件在1.2 mA或更低時需要2.8至3.2V的固定電壓充電。通過能量清除源和電池之間的電壓調節(jié)器，這對于這種微功率源來說應該是一個相當容易的目標。

圖3：Panasonic ML-1220錳鋰電池的放電特性（由Panasonic提供）。

紐扣電池，無論是否可充電，如果不是大多數基于能量收集的應用，都是很自然的選擇。如果您的應用程序功耗足夠低，即使CR2032也可以使用長達十年，因此充電能力可能不是問題。例如，在您正在閱讀本文的計算機中維護BIOS配置數據的紐扣電池應該可以使用長達十年。一般人在十年內沒有更換電腦的可能性接近于零。

當應用需要的功率超過標準鋰離子電池可以提供足夠長的時間時，設計人員應考慮將ML-1220等可充電錳鋰紐扣電池與能量收集電源相結合。

薄膜電池

對于需要無限期運行的超低功耗設備，薄膜電池是與能量收集源一起使用的天然存儲選擇。 Cymbet的固態(tài)表面貼裝薄膜EnerChip?電池在能量收集應用中越來越多地與小型PV電池配對。 Cymbet EnerChip CC CBC3112-D7C-TR1額定電壓為3.3伏，容量為12μAh，50μA。這些顯然是非常小的電池，因此它們針對超低功耗應用，如無線傳感器，RFID標簽和實時時鐘NV-SRAM的備用電源。 CBC3112采用20引腳，7 mm x 7 mm方形雙扁平無引線（DFN）封裝，厚度僅為0.9 mm。

EnerChip CC設備包含內置電源管理器，溫度補償充電控制和內置儲能保護。在正常操作期間，芯片使用內部電荷泵以2.5至5.5伏的電壓為受控電壓充電。當主電源電壓低于用戶定義的閾值電壓時，EnerChip CC會發(fā)出此事件信號，并將EnerChip電壓路由至VOUT，以保持MCU或其他電路的持續(xù)供電。單個EnerChip CC最多可以為10個并行連接的EnerChip充電。

EnerChip CC的放電特性（見圖4）與鋰離子紐扣電池非常相似，輸出電壓在最終從懸崖上掉落之前基本保持平坦。但是，CBC 3112可承受超過5000次充電/放電循環(huán)，在10分鐘內從10％充電至80％充電狀態(tài)。

圖4：EnerChip放電特性（禮貌Cymbet）。

對于那些希望進一步研究這項技術的人，Cymbet提供CBC3112的Cymbet評估板和Cymbet Enerchip CC評估套件。

Infinite Power Solutions（IPS）提供一系列可充電的THINERGY?微電池（MECs），針對能量收集應用的固態(tài)電池。 THINERGY MEC225-1S提供標稱4.1伏特，容量為130μA時為65μA。這些器件的尺寸僅為12.7 mm x 12.7 mm x 0.2 mm，絕對值得稱為薄型。

THINERGY MECs利用鋰鈷氧化物（LiCoO2）陰極和鋰金屬陽極以及稱為LiPON（鋰磷氮氧化物）的固態(tài)電解質，使其具有與其他鋰基電池類似的放電曲線（見圖5）雖然有一些重要的區(qū)別。

圖5：THINERGY MEC225在250℃時的典型放電曲線（由無限電力解決方案提供）。

THINERGY MECs在能量收集應用方面具有許多優(yōu)勢。它們具有100，000個充電放電循環(huán)的額定循環(huán)壽命，從10％的放電深度開始，具有典型的應用負載;它們可以在15到20分鐘內充電到90％的充電狀態(tài)。 THINERGY MEC系列產品中最小的器件MEC-225可在25°C時提供高達7 mA的放電率和每年1％的超低自放電率。特別感興趣的是它們能夠接受1μA的充電電流，并且在除最小微電源之外的所有微電源范圍內。

IPS制造無限功率解決方案能量收集評估板，其中包括一個4伏0.7 mAh THINERGY MEC，一個小型太陽能電池和相關電路，使您能夠嘗試太陽能收集應用。

超級電容器

為了能夠處理突然的電流浪涌 - 例如當靜態(tài)無線傳感器節(jié)點突然傳輸數據突發(fā)時 - 薄膜電池在其輸出端采用大電容器或超級電容器。

電氣雙層電容器（EDLC） - 也稱為超級電容器 - 其能量密度是電解質的數百倍。它們的高密度是導電層非常接近的直接結果，這也導致非常低的擊穿電壓。超級電容器具有比電池更低的能量密度，但是具有更高的功率密度，因為與電池不同，它們幾乎可以瞬間放電。

太陽誘電PAS414HR-VG1是一款3.3伏，60 mF表面貼裝紐扣電池EDLC，直徑僅4.8 mm，高1.4 mm。 PAS414HR-VG1的容量為20μAh，電壓范圍為3.3 V至2.0 V，放電至1.0 V時約為40μAh。

圖6顯示了PAS414HR-VG1在不同負載條件下的充電/放電特性。曲線突出了能量收集應用中超級電容器的一些優(yōu)點和缺點。從好的方面來說，它們具有非常快的充電和放電速率，后者是偶爾需要高峰值功率傳輸的應用中的關鍵優(yōu)勢。在不利方面，它們的輸出電壓在放電時會迅速下降，通常需要一個降壓升壓穩(wěn)壓器來確保它們所連接的電源的恒定輸出。

6：PAS414HR-VG1超級電容器的充電/放電特性（由Taiyo Yuden提供）。

超級電容器往往會遭受內部泄漏，導致自放電率比電池或電容器快得多。因此，它們通常與電池一起使用以緩沖電源的負載并在需要時提供峰值功率。它們在能量收集解決方案中增加了電池，它們不會取代它們。

哪種存儲介質最好？

雖然承認紐扣電池（可充電電池和非充電電池）和超級電容器在各種應用中的優(yōu)勢，但Infinite Power Solutions強調薄膜電池在能量收集應用中的優(yōu)勢。表2簡要概述了每種主要技術的關鍵參數。

可充電電池 - 電池電池超級電容器THINERGY MEC容量1 - 100 mAh 0.1 - 1500 F100μAh - 2.5 mAh最大連續(xù)電流5μA - 40 mA10μA - 200 A 7.5 mA - 100 mA工作溫度范圍-20°C至60°C -40°C至70°C -40°C至85°C尺寸（mm）4-30（深）x 1.6-7.7（H）10 x 20 x 2 13x13至25x51充電周期（80％DOD時80％原裝容量）500 - 1000》 100，000》 10，000單價（高容量）?$ 1~ $ 2 - $ 10~ $ 3 - $ 10自放電率（室溫）10％/年》 90％6-7天1％/年接收電荷最小電流》10μA》35μA《100 nA

傳統(tǒng)的可充電電池是交流電源的理想選擇。鉛酸電池是最便宜和最耐用的，盡管它們具有比鋰基可充電電池更高的自放電率，更低的能量密度和更短的循環(huán)壽命。

超級電容器在處理能量浪涌方面表現(xiàn)優(yōu)異，但與可充電紐扣電池和薄膜電池相比，它們具有許多缺點，包括：

高內部漏電流導致電池相對較快放電;

放電期間電壓線性下降;在放電過程中線性降低;

高溫下降解和壽命短;

尺寸大，能量密度差;

串聯(lián)連接時需要進行電荷平衡電壓;

由于退化和使用壽命問題而更頻繁更換。

薄膜電池在小型電池供電設備中具有眾多優(yōu)勢，包括高能量密度，小尺寸，最小化充電要求，放電期間的電壓穩(wěn)定性和低自放電率。然而，它們也有許多缺點，包括高成本，有限的存儲容量，有限的浪涌能力，以及它們可以容忍的最小和最大電壓水平的一些脆弱性 - 盡管后者通常由伴隨的電源管理IC（PMIC）處理）。

對于依賴能量收集的低功耗應用而言 - 特別是在尺寸比成本更重要的情況下 - 薄膜電池將成為首選的存儲介質。