能量收集 - 當(dāng)源不穩(wěn)定且不可預(yù)測(cè)時(shí)，可能更準(zhǔn)確地稱為“能量清除” - 是一種越來越可行的電路供電方式，無需提供外部電源或定期更換電池。這種實(shí)用性歸因于多種因素：更好的能量存儲(chǔ)元件，改進(jìn)的電源管理組件以及可以操作和執(zhí)行有用功能的電路，例如僅使用微安和毫瓦功率無線記錄和報(bào)告數(shù)據(jù)。

能量收集系統(tǒng)由四個(gè)主要功能組成：能源（傳感器），能量存儲(chǔ)元件，啟動(dòng)，收獲，運(yùn)行模式（通常重疊）的整體管理控制器;和負(fù)載本身（圖1）。我們將研究兩種最常見的儲(chǔ)能元件：可充電電池（大多數(shù)情況下鋰化學(xué)的一些變化）和超級(jí)電容器（也稱為超級(jí)電容器或超級(jí)電容器，雖然正式名稱是電動(dòng)雙層電容器）。

圖1：所有能量采集設(shè)計(jì)共有四個(gè)功能元件：源換能器，儲(chǔ)能元件，負(fù)載，系統(tǒng)控制器或電源 - 管理單位。

兩者都是不錯(cuò)的選擇，但它們?cè)谌萘?功率和能量密度，充電/放電循環(huán)，放電深度，形狀因數(shù)，耐用性，負(fù)載瞬態(tài)性能，壽命和成本方面存在一些操作差異。當(dāng)然，如何評(píng)估和加權(quán)這些參數(shù)取決于您的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，優(yōu)先級(jí)和約束。

需要牢記的一個(gè)重要注意事項(xiàng)：術(shù)語“能量”和“能量”都用于能量收集應(yīng)用。當(dāng)然，它們密切相關(guān)：功率是能量使用的速度（工作正在進(jìn)行），能量是功率的時(shí)間積分 - 但取決于您的應(yīng)用以及您所處的運(yùn)行周期的哪個(gè)部分，你可能對(duì)一個(gè)人比另一個(gè)人更感興趣。所以在使用這些詞時(shí)要小心，并確保你知道在任何特定時(shí)刻你真正關(guān)心的是哪一個(gè)。

關(guān)于上面提到的重要參數(shù)，讓我們看看電池與超級(jí)電容的選擇。與大多數(shù)電子元件一樣，一般指導(dǎo)原則也有例外，因?yàn)楣?yīng)商可能決定將一個(gè)參數(shù)推到正常范圍以外;但要做到這一點(diǎn)，供應(yīng)商可能不得不削減另一個(gè) - 當(dāng)然，這完全取決于權(quán)衡。此外，正如工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)一樣，沒有通用的正確或最佳答案，最終的選擇可能是將兩種類型的存儲(chǔ)元素結(jié)合起來，以提供您所需的性能優(yōu)先級(jí)，甚至可能添加一個(gè)驚喜的第三選擇。

容量（功率和能量密度）：要記住的一個(gè)很好的指導(dǎo)方針是超級(jí)電容器的功率密度高于電池，但能量密度較低。因此，不可避免的困境：用于存儲(chǔ)收獲的能量（電池）的名義上“更好”的組件可能不是為您的負(fù)載（超級(jí)電容器）提供電力的更好的組件。例如，來自Taiyo-Yuden的PAS414HR-VA5R采用紐扣電池外形，直徑1.55 mm×4.80 mm，電容為60毫法拉（mF），具有充電/放電特性（圖2）它支持更大負(fù)載的能力。

圖2：硬幣式超級(jí)電容器，例如來自Taiyo-Yuden的PAS414HR系列，提供出色的充電（頂部）/放電（底部）循環(huán)性能。

充電/放電周期：這非常依賴于供應(yīng)商和型號(hào)，以及供應(yīng)商進(jìn)行最重要的設(shè)計(jì)性能權(quán)衡的領(lǐng)域之一。但一般來說，電池在一到一萬次充電/放電循環(huán)中是好的，而超級(jí)電容的額定電壓在一萬到100，000次之間。

放電深度：對(duì)于大多數(shù)電池，限制放電深度是延長使用壽命的關(guān)鍵。一般規(guī)則是將此放電限制為電池最大容量的10％至20％。相比之下，超級(jí)電容器的壽命受放電深度的影響要小得多。

外形尺寸：通常，超級(jí)外殼具有更大的物理尺寸，與較小的空間受限設(shè)計(jì)的兼容性較低。您可以安裝PC板安裝的電池，厚度小于1毫米，與電路板上的其他元件相當(dāng)。 Cymbet CBC012-D5C-TR Enerchip是一款3.8 V鋰電池，額定電流為12μAhr，厚度僅為5.0×5.0×0.9 mm（圖3），與任何標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件一樣。

圖3：專業(yè)的鋰化學(xué)成分可以實(shí)現(xiàn)極其緊湊的電池外形尺寸，如Cymbet的這款0.9毫米薄的表面貼裝3.8-V Enerchip所示。

堅(jiān)固耐用：與電池相比，超級(jí)電容器在較高溫度下的降解速度更快。通常情況下，它們的溫度指定為+ 70°C，而許多電池的溫度僅為+ 60°C，您可以找到完全符合+ 85°C標(biāo)準(zhǔn)的電池。

負(fù)載瞬態(tài)性能：超級(jí)電容器在處理電流浪涌時(shí)比電池好得多，但它們的輸出隨負(fù)載迅速下降。

壽命：超級(jí)電容器具有相對(duì)較高的內(nèi)部自放電，因此即使不使用它們，也會(huì)存在能量損失。根據(jù)型號(hào)，它們可以在大約一個(gè)月內(nèi)通過這種泄漏排出，因此需要經(jīng)常補(bǔ)充。相比之下，電池自放電每年約為10％。

成本：電池往往比超級(jí)電池更昂貴，盡管在進(jìn)行公平比較時(shí)涉及很多因素。

良好的工程實(shí)踐是對(duì)解決方案持開放態(tài)度。在這方面，即使您通過使用超級(jí)電容器，可充電電池或兩者兼顧，將能量收集視為一種非常長期的電源和能源，也要問問自己實(shí)際使用的產(chǎn)品壽命究竟是什么。

根據(jù)答案，不排除使用傳統(tǒng)的非可充電硬幣電池（如無處不在的CR2032）補(bǔ)充這些儲(chǔ)能元件。這種類型的電池在低電流消耗下具有超過十年的保質(zhì)期，并且可能是正確的附加裝置，以克服超級(jí)電容器或可充電電池的弱點(diǎn)。很少有產(chǎn)品必須“永遠(yuǎn)”持續(xù);通過增加一個(gè)小型，不可充電的儲(chǔ)能元件，并以較低的總成本，可以實(shí)現(xiàn)十年無故障性能。