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新蓄電裝置專攻能源收集免換電池IoT節點有譜

2017-03-27

水越崇

近年來，用於監控設施裝備、觀測環境或空間的感測器網路備受關注。感測器網路包含許多感測器節點，每個節點整合了電源供應器、感測器及通訊功能；節點按某一距離安裝互相收集訊息。節點的訊息收集可經由有線或無線傳輸；當訊息經由無線傳送，則不須經由纜線，而且裝配的自由度可以遠高於經由有線傳輸的方式。

所以，無線感測器網路技術對於機器對機器(M2M)、家用能源管理系統、建築物能源管理系統、物聯網等應用是必不可少的，且其重要性將與日俱增。此篇文章中，以無線方式進行訊息傳輸的節點被稱為無線感測器節點。

無線感測器節點包含電池、感測器、無線通訊晶片、天線、單晶片微控制器及其他元件；並且須要能在安裝後持續獨立運作直到電池耗盡，無線感測器節點的配置範例如圖1所示。

圖1 無線感測器節點的方塊圖

了解無線感測器節點從功能區塊配置著手

無線感測器節點含有四個主要功能區塊，其中電源供應區塊供應電能，感測器區塊偵測物理量並轉換為電氣訊號，微處理器區塊計算處理來自感測器的訊號，而無線通訊區塊以資料形式傳輸所處理的訊息。

在電源供應區塊內，一般而言會使用蓄電裝置以供應節點電源。典型的蓄電裝置有電池，電池分為一次電池(非充電電池，例如錳乾電池、鹼性乾電池、氧化銀電池、鋰電池)和二次電池(可重複充電電池，例如鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池)。高容量電容器，例如超級電容(Super Capacitor)，也是一個可循環充放電的蓄電裝置。

如果以一次電池作為蓄電裝置，便有可能建立一個相對低成本的系統，但需要定期更換電池，並且事先預測電池的功率消耗量。特別是大型感測器網路具有大量的感測器節點電池，更換維護便異常困難。為了解決此問題，近年來已經嘗試開發用於感測器節點的無須更換的電源，透過將發電裝置和可再充電的蓄電裝置(二次電池)組合，將產生的能源立即儲存在蓄電裝置，如此即稱為能量收集。

剖析蓄電裝置優劣根據特性適當配置

就用於能量收集的蓄電裝置所需特性而言，此裝置須具備有五種特性。這五種特性及不同蓄電原理的蓄電裝置的適用性(超級電容和鋰離子二次電池)比較，如表1所述。

表1 儲存裝置要求的特性及各蓄電裝置的真實特性

特性一為能夠透過蓄電裝置為小型設備發電裝置有效率地充電。廠商正在研究利用日光、振動及熱等自然能源方式的蓄電裝置，但是這些由小型裝置組成的小規模設備只能確保提供少量能量。因此，即使是通過小的發電容量，蓄電裝置也須要能完全地充電。關於此點，超級電容因為其漏電流大，所以充電效率低。

特性二是能夠長時間不浪費地儲存能量。普遍認為因發電裝置利用不穩定自然能源供電時，發電電力小的期間將會維持很長一段時間甚或供電停止。例如在太陽能發電系統中，當戶外使用時持續的惡劣天氣，或週末、假日期間的長時間無日照的室內使用，產生電量很少。在這些情境中，蓄電裝置須要在自放電下不浪費能量。關於此點，超級電容因為它較高的自放電率而不適合。

特性三為在完全放電的狀態下能夠快速驅動系統。如上所述，當發電電力小的期間持續很長一段時間時，蓄電裝置將幾乎完全放電。超級電容的電壓上升正比於電荷量，因此少量發電須要花費很長時間使系統運行。為解決此問題，可以將一次電池和超級電容一起使用。然而，這使得系統變得複雜。相反地，鋰離子電池(Lithium Ion Battery)允許系統立即運行，因為它在充電到只有幾個百分比時，即可達到足夠電壓以驅動系統。

特性四是能夠充分提供無線通訊所需的電流。一般而言，鋰離子二次電池有高內部阻抗。因此，有時它難以立即提供無線通訊所需的大電流。在此情況下，類似電容這樣的峰值輔助裝置是必不可少的，如此一來就讓系統變得複雜。

特性五為循環壽命長能夠減少感測器節點定期維護的頻率。感測器網路須要在不同地點放置大量感測器節點以收集訊息。如果儲存裝置的壽命較短，則須要定期更換維護，使成本提高。因此，蓄電裝置必須能夠使用10∼20年，以減少定期維護頻率。因為超級電容基本上不會因充放電嚴重劣化，所以使用壽命長。換言之，電腦或智慧型手機用的傳統鋰離子二次電池，在重複充放電後會發生劣化。由於天天使用，它們的機能在幾年後將會嚴重衰退。

如上所述，超級電容和鋰離子二次電池各有優缺點，它們都不具備能源收集所需的全部特性。

比較超級電容/鋰離子電池蓄電運作原理截然不同

以下將簡述超級電容和鋰離子二次電池在蓄電原理方面的差異性。最大的不同點是超級電容在電解液中的電極和離子，以電荷間的庫倫引力儲存電荷；然而，鋰離子電池是電化學反應，利用鋰離子進出正電極的活性材料來儲存電荷。

因為超級電容中的儲存電荷，僅是以庫倫力來吸引，所以易於分離。因此能夠獲得高輸出電流。在相同方式下，也可快速充電。此外，因為它們並不是由電化學反應完成的，所以在充放電時不易發生劣化。反之，它對電荷的維持力很弱，如此造成高自放電率的缺點。超級電容的容量正比於形成電氣雙層的表面積，所以，通常使用單位容積下表面積大的活性炭作為電極材料。另外，超級電容的額定電壓範圍受限於電解液的解離。

換句話說，鋰離子二次電池在高充放電流方面的表現是劣於超級電容；因為充放電時須要電極活性材料內的電化學反應及鋰離子的移動。然而，沒有電化學反應，則鋰離子無法移動；因此具有低自放電率的優點。

電池的電壓由正極和負極各材料的獨自特性組合而決定。它不像超級電容，電壓並不正比於電荷量。因為鋰離子電池伴隨著電化學反應的充放電而發生劣化，所以其壽命比超級電容短。

此外，由於存在各種劣化因素，所以其劣化趨勢根據使用條件的不同而變得複雜。在選用正負極的活性材料時，應當考慮各種性能以實現作為鋰離子電池的目標性能：可儲存電荷量、電荷量和電壓之間的相關性、劣化速度等。

兼容並蓄截長補短鈦酸鋰電池異軍突起

如上所述，超級電容及傳統鋰離子二次電池都有缺點，它們不能滿足在能源收集上蓄電裝置的所有要求。

為了解決此問題，村田製作所開發了小型能源裝置「UMA系列」。UMA系列是新的鋰離子二次電池，它使用鈦酸鋰(LTO)作為負電極材料。藉此UMA解決了傳統鋰離子二次電池不能解決的問題，亦即UMA可以提供無線通訊足夠的電流並且壽命長，如此一來UMA可滿足能源收集所有的要求。

實際上，在使用鈦酸鋰電池時，種種特性都獲得改善，但有一個缺點，便是可儲存的電荷量變小。然而，若與超級電容相比，UMAC和超級電容具有相同電荷容量時，體積僅是超級電容的十分之一，所以此能量密度在能源收集應用是足夠的。

UMAC有3mAh的容量，額定電壓2.3伏特及最大連續放電流30毫安培(mA)(10C)。10C的「C」是指C-速率。1C表示電池在1小時內可以完全放電的電流值；所以，就3mAh而言，1C等同於3毫安培。一般鋰離子電池的最大連續放電流約為1C，但UMAC可以以高出十倍的C-速率放電，因此作為用於近場通訊(NFC)電源(例如低功耗藍牙或ZigBee)的UMAC可單獨驅動負載。

例如，當在25℃下使用UMA進行iBeacon的數據傳輸(功率是+4dB，間隔為100毫秒)時，它可以工作超過12小時(圖2)。即使在-20℃的低溫，以30毫安培及10毫秒(msec)的放電波形，在15秒(sec)的週期下，仍有約2.6mAh的放電容量，這意味著它可以釋放UMAC額定容量的86%(3mAh)(圖3)。因此，與傳統鋰離子二次電池不同，UMA系列即使在低溫下仍可以放電，而且甚至更適合於寒冷地區的戶外使用。