【導讀】對於設計者來說，從小規模物聯網 (IoT) 節點、資zi產chan跟gen蹤zong和he智zhi能neng計ji量liang
，到dao設she備bei備bei用yong電dian源yuan和he狀zhuang態tai報bao告gao之zhi類lei大da型xing應ying用yong產chan品pin越yue來lai越yue需xu要yao采cai用yong獨du立li充chong電dian電dian源yuan供gong電dian。一yi般ban情qing況kuang下xia，他ta們men的de選xuan擇ze僅jin限xian於yu通tong常chang基ji於yu鋰li (Li) 離子化學的電化學電池，是通常被稱為超級電容器的雙電層電容器 (EDLC)。問題在於
，無論是單獨使用還是組合使用，每種技術都一定局限性
，需要開發人員針對設計目標來權衡每種技術的功能和局限性。

特別是對於低功耗物聯網和工業物聯網 (IIoT) 應用來說，這些設計目標通常包括可靠性
、長工作壽命
、效率、能量密度和易用性
，從而使設計和集成過程更簡單，開發時間更短
，項目成本更低。雖然同時使用鋰離子和 EDLC 來實現這些設計目標是完全可行的，但這兩種方法的設計和優化卻是一項複雜的工作。整合性方法可能更合適。

本文將討論物聯網電源設計的要求以及電化學電池和 EDLC 背後的技術。然後，介紹一種采用混合儲能組件的替代方法。這種方法件將電池和 EDLC 的屬性整合在同一封裝中。本文將以Eaton — Electronics Division的器件為例介紹並討論其特點和應用。

物聯網係統要求低功耗、長運行壽命

在過去幾年裏
，可以從相對較小的電源供電的低功耗、dizhankongbiyingyongdeshuliangzaijizeng。zhexieshebeizhongdedianlusuiranjuyouconghaoanjidaoanpeijideyouyuanmoshigongzuodianliu，dantongchangzaishendushuimianmoshixiashixianledianxingqingkuangxiazhixuyaoweianjidianliudekuozhangongzuomoshi。zhexieshebeizhongsuoshiyongdigonghao、低速率、低占空比無線技術，如 LoRaWAN 或低功耗藍牙 (BLE) 等也有助於將功耗降到最低。

對於這些工作條件，設計者通常會考慮兩種儲能技術：鋰離子電池的某些變體或超級電容器。每一種設備都在能量的容量和密度、壽命周期、端電壓、自放電、工作溫度範圍、低放電率和高放電率下的性能等因素方麵進行了權衡。

蓄能技術的主要區別

簡單來說，無論是一次電池（非充電版）還是二次電池（充電版）
，它ta們men都dou基ji於yu電dian化hua學xue原yuan理li。鋰li基ji電dian池chi包bao含han一yi個ge石shi墨mo陽yang極ji和he一yi個ge金jin屬shu氧yang化hua物wu陰yin極ji，夾jia在zai這zhe兩liang者zhe中zhong間jian的de通tong常chang是shi液ye體ti電dian解jie質zhi
，但dan在zai某mou些xie情qing況kuang下xia也ye可ke以yi是shi固gu體ti電dian介jie質zhi。由you於yu各ge種zhong形xing式shi的de內nei部bu性xing能neng退tui化hua，使shi得de充chong電dian電dian池chi壽shou命ming受shou限xian
，通tong常chang隻zhi有you幾ji千qian個ge充chong放fang電dian周zhou期qi。

此外，電池需要複雜的電池和電池組管理

，以最大限度地延長工作壽命，同時防止出現過充電
、熱擊穿或其他可能導致性能降低、電池受損甚至起火等事件的故障。對於設計人員來說

，這些電池相對平坦的放電曲線簡化了電路實施（圖 1）。

圖 1：典型鋰離子電池的放電周期曲線顯示，在電池接近完全放電之前整個過程中，輸出電壓幾乎保持恒定不變。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）

相比之下，EDLC 是(shi)通(tong)過(guo)物(wu)理(li)過(guo)程(cheng)而(er)不(bu)是(shi)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)來(lai)儲(chu)能(neng)的(de)。這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)在(zai)陽(yang)極(ji)和(he)陰(yin)極(ji)兩(liang)側(ce)都(dou)有(you)活(huo)性(xing)炭(tan)電(dian)極(ji)，是(shi)對(dui)稱(cheng)的(de)。電(dian)極(ji)的(de)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)是(shi)靜(jing)電(dian)過(guo)程(cheng)
，沒(mei)有(you)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)，其(qi)循(xun)環(huan)壽(shou)命(ming)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)無(wu)限(xian)的(de)。與(yu)電(dian)池(chi)相(xiang)反(fan)，電(dian)極(ji)端(duan)電(dian)壓(ya)是(shi)所(suo)輸(shu)送(song)電(dian)能(neng)的(de)函(han)數(shu)，呈(cheng)線(xian)性(xing)下(xia)降(jiang)關(guan)係(xi)（圖 2）。

圖 2：與鋰離子電池相反，超級電容器的輸出電壓隨著它放棄所儲存的電荷而穩步下降。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）

EDLC 技術是無源元件世界中一項比較新的開發領域。即使到了 20 世紀 50 年代和 60 年代，人們的傳統觀念還停留在即使隻有 1 法拉的電容器也會有 1 個(ge)房(fang)間(jian)那(na)麼(me)大(da)。然(ran)而(er)，材(cai)料(liao)和(he)表(biao)麵(mian)技(ji)術(shu)方(fang)麵(mian)的(de)研(yan)究(jiu)帶(dai)來(lai)了(le)新(xin)的(de)結(jie)構(gou)和(he)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)

，並(bing)最(zui)終(zhong)形(xing)成(cheng)了(le)被(bei)稱(cheng)為(wei)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)器(qi)件(jian)，它(ta)在(zai)一(yi)個(ge)與(yu)其(qi)他(ta)基(ji)本(ben)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)尺(chi)寸(cun)相(xiang)當(dang)的(de)封(feng)裝(zhuang)內(nei)實(shi)現(xian)了(le)數(shu)十(shi)甚(shen)至(zhi)數(shu)百(bai)法(fa)拉(la)的(de)電(dian)容(rong)。

拓撲選擇需要做權衡

由於電池和 EDLC 之zhi間jian存cun在zai基ji本ben的de設she計ji和he性xing能neng差cha異yi，設she計ji者zhe必bi須xu決jue定ding隻zhi使shi用yong一yi種zhong儲chu能neng器qi件jian，還hai是shi將jiang這zhe兩liang者zhe組zu合he使shi用yong。如ru果guo選xuan擇ze組zu合he使shi用yong，則ze設she計ji者zhe必bi須xu在zai各ge種zhong不bu同tong的de拓tuo撲pu結jie構gou中zhong做zuo決jue定ding，每mei種zhong拓tuo撲pu結jie構gou都dou有you各ge自zi的de權quan衡heng和he對dui性xing能neng的de不bu同tong影ying響xiang（圖 3）。

圖 3：設計人員可以在三種常見的拓撲結構中組合超級電容器和電池：（從上至下）並聯
、作為獨立單元或通過控製器/穩壓器進行組合。（圖片來源：Eaton – Electronics Division） 

●   並聯方式最簡單，但超級電容的使用效果並不理想，其輸出電壓直接與電池電壓關聯。

●   dangyouyigefeiguanjianxingjibenfuzaiheyigedulideguanjianxingfuzaishi，jiangdianchihechaojidianrongqifenbiezuoweidulidanyuanshiyongshixiaoguozuihao，yinweizhezhongjiegounengweimeigedanyuantigongdulidedianyuan，danzaizhezhongfangfaxiadulidanyuanzhijiandexietongxiaoyingbujubeirenheyoushi。

●   zhinengbuzhinenggoujiangmeigenengliangyuandenenglixiangjiehe，bingzuidaxiandudiyanchangyunxingshijianhexunhuanshouming，dantaxuyaolingwaideguanlizujian
，rukongzhiqihelianggenengliangyuanyufuzaizhijiande DC-DC 穩壓；這種拓撲結構最常用於與運輸相關的電力裝置。

當使用這樣的拓撲時
，無需在電池和超級電容器之間做出“非此即彼”的決定。設計者可以選擇同時使用這兩種器件，但將它們組合使用時
，設計者必須在兩種器件的不同特性之間找到最佳平衡點。

好消息是，由於采用了創新組件，在選擇使用電池或者超級電容器，還是兩者兼而有之時
，可以擺脫“非此即彼”的窘境。Eaton – Electronics Division 的混合儲能組件係列將兩者的屬性整合在同一封裝中，無需進行任何折中選擇。 

混合型超級電容器的案例

混(hun)合(he)型(xing)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)將(jiang)電(dian)池(chi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)結(jie)構(gou)整(zheng)合(he)在(zai)同(tong)一(yi)物(wu)理(li)單(dan)元(yuan)中(zhong)。這(zhe)些(xie)混(hun)合(he)組(zu)件(jian)並(bing)不(bu)僅(jin)僅(jin)是(shi)將(jiang)一(yi)對(dui)獨(du)特(te)的(de)電(dian)池(chi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)簡(jian)單(dan)地(di)封(feng)裝(zhuang)在(zai)同(tong)一(yi)外(wai)殼(ke)中(zhong)。而(er)且(qie)
，這(zhe)種(zhong)器(qi)件(jian)是(shi)將(jiang)電(dian)池(chi)的(de)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)物(wu)理(li)性(xing)質(zhi)融(rong)合(he)在(zai)同(tong)一(yi)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)源(yuan)。因(yin)此(ci)，這(zhe)種(zhong)混(hun)合(he)器(qi)件(jian)克(ke)服(fu)了(le)電(dian)池(chi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)各(ge)自(zi)的(de)缺(que)點(dian)，同(tong)時(shi)在(zai)滿(man)足(zu)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)方(fang)麵(mian)表(biao)現(xian)出(chu)了(le)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)。

混(hun)合(he)型(xing)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)是(shi)由(you)摻(chan)鋰(li)石(shi)墨(mo)陽(yang)極(ji)和(he)活(huo)性(xing)炭(tan)陰(yin)極(ji)組(zu)成(cheng)的(de)非(fei)對(dui)稱(cheng)器(qi)件(jian)。雖(sui)然(ran)充(chong)電(dian)過(guo)程(cheng)主(zhu)要(yao)是(shi)通(tong)過(guo)電(dian)化(hua)學(xue)方(fang)式(shi)完(wan)成(cheng)的(de)
，但(dan)與(yu)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)相(xiang)比(bi)，充(chong)電(dian)深(shen)度(du)明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)。

在其他屬性方麵，這兩種技術的組合實現了非常高的循環次數（典型最少循環至少 500,000 次）、對高放電率的快速反應能力（圖 4）。

圖 4：除了其他優點外，混合型超級電容器還克服了電池充放電的周期和速率限製。（圖片來源：Eaton– Electronics Division）

另外，由於沒有使用金屬氧化物，使得混合型超級電容器不會產生任何火災或熱擊穿風險。輸出特性與電荷水平的關係也符合低電壓、低功耗係統的需求（圖 5）。

圖 5：混合型超級電容器的輸出放電曲線介於電池和標準超級電容器之間。（圖片來源：Eaton – Electronics Division）

與所有的組件和設計方法一樣
，每個儲能解決方案都會在性能和功能方麵進行折衷。表 1 顯示了典型案例中這些彼此相關的儲能方案的正 (“+”) 和負 (“-”) 屬性。

表 1：電池、超級電容器和混合型超級電容器的典型特性比較結果表明
，混合型器件結合了兩者的優點。（表格來源：作者，使用了來自 Eaton – Electronics Division 的數據）

經(jing)驗(yan)豐(feng)富(fu)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)知(zhi)道(dao)，沒(mei)有(you)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)完(wan)美(mei)的(de)。很(hen)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，如(ru)果(guo)現(xian)有(you)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)的(de)某(mou)個(ge)正(zheng)屬(shu)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，那(na)麼(me)就(jiu)會(hui)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)來(lai)替(ti)代(dai)其(qi)他(ta)任(ren)何(he)方(fang)法(fa)。因(yin)此(ci)，係(xi)統(tong)需(xu)求(qiu)將(jiang)決(jue)定(ding)最(zui)終(zhong)所(suo)采(cai)取(qu)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

混合型超級電容器跨越了法拉第/能量容量範圍

與一些隻提供有限規格的專用器件不同，這些混合型超級電容器的性能範圍相當廣泛。例如，處於低端的HS1016-3R8306-R是 Eaton 的HS 係列圓柱形混合超級電容器電池中的 30 F 單元，長 18 mm
，直徑10.5 mm（圖 6）。

圖 6：Eaton HS1016-3R8306-R 是一種 30 F 單元
，屬於HS 係列圓柱形混合超級電容器電池。（圖片來源：Eaton –Electronics Division）

HS1016-3R8306-R 的工作電壓為 3.8 V，其初始 ESR 臨界規電阻低至 550m Ω
，因此具有相當高的功率密度
，是標準超級電容器的 8 倍之多。該器件可以提供 0.15 A 連續電流（最大可達 2.7 A）
，額定儲能容量為 40 mWh。與 HS 係列的所有器件一樣
，該器件獲得了 UL 認證
，能極大地簡化整個的產品審批程序。

至於同係列中容量更大的混合型超級電容器，HS1625-3R8227-R 則是一款長 27 mm
、直徑 16.5 mm 的圓柱形 220 F 器件，ESR 為 100 mΩ，可提供高達 1.1 A 的連續電流和 15.3 A 峰值電流。其總儲能容量為 293mWh。

Eaton 混合超級電容器集出色的容量、xingnenghewuliguigeyuyiti，feichangshiheweizhinengdianbiaozhongdewuxianlianlutigongdulidemaichongdianyuanhuoyudianchibinglianyunxing。zheleichaojidianrongqiyefeichangshihezaigongyeguocheng
、可編程邏輯控製器的短暫停電或停電期間用作“穿越”電源

，從而避免即使是短暫的電源問題也會導致的、往往是漫長的停機時間。同樣
，這些器件可以在此類電源中斷期間向數據中心的易失性緩存存儲器
、服務器和多盤 RAID 存儲器供電。 

結語

對於物聯網係統的設計者來說，混合型超級電容器因其能量密度高
、循xun環huan壽shou命ming長chang以yi及ji較jiao高gao的de工gong作zuo電dian壓ya，成cheng為wei儲chu能neng和he送song電dian的de極ji好hao選xuan擇ze。與yu標biao準zhun超chao級ji電dian容rong器qi相xiang比bi，由you混hun合he型xing超chao級ji電dian容rong器qi構gou建jian的de設she計ji可ke能neng隻zhi需xu要yao更geng少shao的de電dian池chi和he更geng小xiao的de體ti積ji；與yu單dan獨du使shi用yong電dian池chi相xiang比bi，能neng更geng好hao地di滿man足zu溫wen度du和he壽shou命ming要yao求qiu。通tong過guo權quan衡heng和he折zhe中zhong來lai解jie決jue難nan題ti，這zhe類lei混hun合he器qi件jian使shi設she計ji工gong程cheng師shi能neng夠gou更geng容rong易yi地di實shi現xian具ju有you挑tiao戰zhan性xing的de項xiang目mu目mu標biao。

來源：Bill Schweber，DigiKey

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