近年來，用于監測和控制設施或設備，或觀察環境或空間的傳感器網絡受到了廣泛關注。一個傳感器網絡將具有多個傳感器節點、一個電源和通信功能。從節點收集信息是通過有線或無線連接完成的。傳感器網絡通常是機器對機器 （M2M） 連接、家庭能源管理系統 （HEMS）、建筑能源管理系統 （BEMS）、工業監測和控制，當然還有物聯網的正確技術。物聯網）。

無線傳感器節點：配置和問題

無線傳感器節點需要有蓄電設備、傳感器、無線通信芯片、天線和微控制器，安裝后需要繼續獨立運行，直到電池耗盡。

圖 1：圖表顯示了無線傳感器節點的示例配置。

典型的蓄電裝置包括雙電層電容器和一次或二次電池。一次電池是不可充電的，有錳、堿錳、氧化銀和鋰版本。二次可充電電池類型包括鉛、鎳鎘、鎳氫和鋰離子。電池以電化學方式儲存能量，其中化學反應釋放電載體。也可以使用大容量電容器，例如雙電層電容器或超級電容器，并且可以反復充電。

如果將一次電池用作蓄電裝置，可以以較低的成本構建系統，但需要定期更換電池，并且需要預測電池消耗的電量。如果傳感器節點的功耗極低，電池可能會持續 20 年而不會成為問題。然而，尤其是在規模更大、配置的無線傳感器節點數量更多的傳感器網絡中，情況并不常見，電池更換的維護成為一個大問題。特別是，無線節點將不使用原電池，因為所需的傳輸功率非常高，并且如果沒有巨大的原電池，該節點的壽命將非常短。

能源供應解決方案

近年來，已經嘗試開發具有可充電存儲設備的能量收集。正在使用使用自然能源的發電設備，例如陽光、振動和熱。但是，當然，能夠集成到小型設備中的設備只能確保少量電力。所使用的蓄電裝置需要能夠充滿電，即使是低容量的電源，并且能夠長時間保持能量而不泄漏。此外，即使在多次充電和放電之后，存儲設備的性能也需要保持。不同類型的二次電池和雙電層電容器各有優缺點，目前只有少數這些器件能夠滿足所有適用于能量收集的條件。

應用于無線傳感器節點

超級電容器提供了一些很大的優勢。它利用電極上的電荷與界面處電解質中的離子之間的物理電荷分離現象。它們可以比電池更快地釋放能量，并且可以循環數十萬次而不會大大影響性能。同時，超級電容器的能量密度遠低于鋰離子電池——至少低 20 倍。有許多超級電容器/電子雙層電容器可供選擇——制造商包括 Murata、Taiyo Yuden、Illinois Capacitor、Vishay、NIC Components、Maxwell Technologies、KEMET、Cornell Dubilier、Nichicon、Eaton、AVX、Panasonic 和 Elna。

在超級電容器和蓄電池的變體中，村田電子制造了一種名為 UMAC （UMAC040130A003TA01） 的小型能源設備。與傳統的鋰離子電池不同，它是一種使用鈦酸鋰作為正極材料的鋰離子二次電池。它的設計允許高速率或低速率充電和放電、長壽命和更高的安全水平。

圖 2：基本 UMAC 規范。

圖 2 顯示 UMAC 的產品規格。它采用單一尺寸，容量為 3 mAh，標稱電壓為 2.3 V，最大連續放電電流為 30 mA （10C）。UMAC 的功率密度是通用鋰離子電池的 10 倍，能量密度也差不多。它適用于需要高達 30 mA 電源的節省空間的應用。另外，通常鋰離子電池充電時，出于安全考慮，需要控制充電電流，充電時間較長。UMAC在充電時不需要仔細控制電流，可以恒流充電，適用于需要快速充電的應用。與某些超級電容器相比，UMAC 確實具有 0.8 Ω 的較高 ESR，這限制了其放電速率或功率密度。

無線傳感器節點儲能要求

無線傳感器節點的電力存儲設備需要四個屬性。第一個特性是循環壽命長，無需定期維護。圖 3 顯示了 UMAC 器件的放電容量保持率與充電/放電循環的關系。如果 1 個循環的放電量為 50%，則在 5，000 次充電/放電循環后仍可保持 90% 或更多的容量。如果放電量小于該值，則循環壽命進一步增加。如果每天進行一次放電，5000 次循環相當于大約 13 年，因此，UMAC 應該能夠為免維護傳感器節點的開發做出貢獻。

圖 3：多次充電/放電循環后的 UMAC 容量率。

第二個特性是即使從弱電流源也能充電并長時間保持能量的能力。能量收集設備通常以相對較高的阻抗提供低電流。需要長時間保留產生的稀有能量而不泄漏。在圖 3中，我們顯示了充電容量保持率。UMAC 器件在充滿電后 90 天不接觸，可保留 88% 的容量，其漏電流經計算約為 0.17 μA。即使使用非常低的 5 μA 電流，它也可以充滿電。

圖 4：UMAC 長期容量保持和 5-μA 充電特性。

可能需要的第三個特性是相當高的放電率。如果蓄電裝置可以充分充電，但不能滿足系統的峰值負載，則需要電容器等峰值輔助裝置，使系統復雜化。UMAC 可以以高達 30 mA （10C） 的電流放電，因此它可以用作藍牙低功耗 （BLE） 和 ZigBee 等近場通信的電源，以直接驅動負載。與鋰離子電池不同，該設備在低溫下也很有效，因此可以在寒冷氣候的戶外使用。UMAC 可以處理快速脈沖放電，即使在低溫下也是如此。

第四個必需屬性是充電開始后立即使用的能力。在電容器中，存儲的電荷量與電容器兩端之間的電壓成正比，因此，從充電開始到系統開始運行之間存在時間滯后。相比之下，UMAC 允許系統立即投入運行，因為它是鋰離子電池，當充電至百分之幾時將達到其 2.3 V 的標稱電壓。