電池壽命是開發(fā)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要考慮因素，它將構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)。在許多應(yīng)用程序中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要安裝在難以到達(dá)的位置，更不用說服務(wù)了。傳感器節(jié)點(diǎn)在能源方面需要是自主的，因?yàn)樗某杀咎?，很難給它們供電，或者讓維修人員定期更換電池。

　　除了在處理電子產(chǎn)品中的低功耗，電池本身也需要能夠支持非常長(zhǎng)的服務(wù)時(shí)間:可能長(zhǎng)達(dá)20年。許多電池的化學(xué)反應(yīng)不能支持如此長(zhǎng)的使用壽命，甚至在支持專門的低能源電子產(chǎn)品因?yàn)樗麄兊淖苑烹娐省?br/>
　　然而，鋰硫酰氯的化學(xué)反應(yīng)卻有很低的自放電速率。因此，化學(xué)提供了迄今為止所見的最長(zhǎng)的生命和最高的能量自主性，這是適用于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和其他小尺寸重要的設(shè)備。在近40年的時(shí)間里，鋰硫酰氯化合物的使用壽命得到了證實(shí)。aa尺寸的電池在實(shí)用儀表上的使用壽命超過20年。

　　然而，隨著長(zhǎng)壽命電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，考慮鋰硫酰氯化學(xué)的特性是很重要的。增加無線通訊到傳感器節(jié)點(diǎn)以及執(zhí)行功能，例如開啟和關(guān)閉氣體或液體閥門的能力，增加了電池所需的峰值電流。

　　一個(gè)典型的傳感器節(jié)點(diǎn)或計(jì)量應(yīng)用程序中的微控制器將在大部分時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，它會(huì)在正常的時(shí)間間隔內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，將它們存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中。在較短的間隔時(shí)間內(nèi)，微控制器將激活無線通信模塊，并向網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。無線接口傳輸時(shí)，所需電流可達(dá)500mA;但它只需要幾百毫秒的時(shí)間。

　　盡管電池的額定功率似乎可以支持這種短期的峰值電流，但老化的不可避免的影響可以減少在現(xiàn)場(chǎng)的壽命。電池的可用容量不僅受自放電速率的影響，而且還受到產(chǎn)生大量電流脈沖的阻抗的逐漸升高的影響。

　　不同大小的電流脈沖的影響圖像。

　　圖1:不同大小電流脈沖對(duì)電壓隨時(shí)間的影響，顯示連續(xù)脈沖的潛在累積效應(yīng)。使用恒低電流將恢復(fù)電壓電平。

　　鋰硫酰氯電池化學(xué)的自放電率非常低，很大程度上是由于鋰離子在陽極表面放電時(shí)形成的一層鈍化層。這種絕緣層限制了電流的流動(dòng)，但通過將負(fù)載放置在電池上，就會(huì)部分脫落。然而，由于通過鈍化層形成傳導(dǎo)通路所需的化學(xué)過程，存在延遲。這是一種暫態(tài)電壓降的表現(xiàn)，接著是在恒定負(fù)載下的電壓緩慢上升。

　　瞬態(tài)電壓的下降取決于鈍化層的厚度和密度。放電電流越高，所提供的電壓越低。在部分放電的情況下，去除負(fù)荷往往會(huì)增加鈍化的量，增加電壓的減少和延遲。

　　如果d型號(hào)的電池,如Tadirantl-5134/P,逐漸釋放的持續(xù)負(fù)載大約50μA,它將繼續(xù)提供電流接近其額定電壓在一段超過十年了。然而，如果需要電池提供更大的電流脈沖，情況就會(huì)改變。通過使用相同的D-size細(xì)胞并使用它來傳遞當(dāng)前的150mA的脈沖，Tadiran的實(shí)驗(yàn)表明相同的細(xì)胞在大約2年的時(shí)間內(nèi)將維持3伏特的電壓。之后，電壓開始下降，5年后逐漸下降到1.5V。在電路設(shè)計(jì)中，預(yù)期電壓高于1.5V，電池在5年后似乎完全放電，而不是10或20。然而，電池仍然有足夠的存儲(chǔ)電荷，如果系統(tǒng)能夠利用它，還可以繼續(xù)提供10年所需的能量。

　　使用鋰硫酰氯電池延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵在于消除當(dāng)前的需求，這樣就不會(huì)產(chǎn)生大電流脈沖。這需要使用一個(gè)能量緩沖裝置來提供能量脈沖，電池提供一個(gè)恒定的電荷流進(jìn)入緩沖電路。

　　提供受控能量緩沖的一種方法是使用大型電容器和直流/直流轉(zhuǎn)換器，例如德州儀器TPS62740來調(diào)節(jié)電荷流入電容器。為了確保有足夠的電荷來運(yùn)行無線鏈路幾百微秒，雙層電容器或超級(jí)電容器提供了一個(gè)合適的選擇。

　　使用德州儀器TPS62740的微控制器示意圖。

　　圖2:使用帶有TPS62740的單片機(jī)控制向超級(jí)電容器供電的電壓。

　　電路設(shè)計(jì)使用直流/直流變換器輸出的電阻器來限制電流流入超級(jí)電容器，同時(shí)，電流從高容量的原始細(xì)胞中提取，如在TadiranXTRA系列中發(fā)現(xiàn)的。需要選擇電阻器以使當(dāng)前的需求保持在與長(zhǎng)期使用壽命一致的水平。雖然可以通過電阻器將主電池連接到電容器上，但使用DC/DC變換器的優(yōu)點(diǎn)是它可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓，以盡量減少電阻器的能量損失。

　　一個(gè)可編程的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如TPS62740可以，作為超級(jí)電容器充電的最大容量，增加它的輸出電壓增量。一個(gè)建議的概要是每30或60秒增加100mV?？偝潆姇r(shí)間可能在10分鐘以上。然而，在這段時(shí)間內(nèi)，由于供應(yīng)電壓的逐步上升，電阻的下降將始終小于100mV。雖然目前電池的需求會(huì)急劇上升，但每增加一次電壓，電流的要求是2mA到4mA，這不會(huì)對(duì)內(nèi)部電阻造成太大的不利影響。

　　直流/直流變流器供電的電壓范圍將受到兩個(gè)因素的限制:由電容器下游提供的微控制器所需要的電壓和超級(jí)電容器的最大電壓，通常在2.5V到2.7V范圍內(nèi)。嵌入式單片機(jī)可能期望電壓范圍從1伏到2伏。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器將被期望從1V到2.7V的范圍內(nèi)運(yùn)行，這可能取決于單片機(jī)和超級(jí)電容的選擇。

　　在啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器需要被充電到由微控制器所期望的電壓水平。在這個(gè)階段，一個(gè)較大的電阻可以用來適當(dāng)?shù)叵拗齐娏鬟M(jìn)入超級(jí)電容器。一旦達(dá)到初始的目標(biāo)電壓，就可以將一個(gè)較小的電阻器轉(zhuǎn)換為最小的損耗。這可以通過將兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起來實(shí)現(xiàn)。通常由單片機(jī)操作的開關(guān)可以確保在啟動(dòng)過程中使用更高的阻力路徑。在達(dá)到電壓電平后，微控制器在較低的電阻路徑上進(jìn)行開關(guān)。

　　由于DC/DC變換器的開關(guān)轉(zhuǎn)換以及限流電阻器的轉(zhuǎn)換造成了一些損失;但是，階梯式的操作有助于保持整體效率接近90%。功率控制策略的結(jié)果是使鋰硫酰氯電池壽命最大化的電路。

　　在充電過程中，逐漸增加電壓的圖。

　　圖3:在充電過程中，當(dāng)無線電模塊處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在充電過程中，逐步采用電壓步進(jìn)電壓。