بطارية إر مع مكثف ليثيوم-أيون لإنترنت الأشياء: دليل البطاريات عالية التيار النبضي من نوع ليثيوم-كبريتيل كلوريد

بطارية إي آر مع مكثف ليثيوم-أيون لإنترنت الأشياء: اختيار حل طاقة ليثيوم-ثيونيل كلوريد عالي النبضات المناسب

مع ازدياد نشر أجهزة إنترنت الأشياء في قياس العدادات الذكية، والمراقبة عن بُعد، وتتبع الأصول، والاستشعار البيئي، والأتمتة الصناعية، أصبح تصميم مصدر الطاقة أكثر أهميةً من أي وقت مضى.

لدى العديد من أجهزة إنترنت الأشياء سمة مشتركة واحدة: فهي تستهلك طاقةً منخفضة جدًّا في معظم الأوقات، لكنها تتطلب دوريًّا تيارًا أعلى بكثير عند استيقاظ الوحدة اللاسلكية وإرسال البيانات.

وهذا يشكِّل تحديًّا.

فقد لا تكون البطارية التي تؤدي أداءً ممتازًا تحت أحمال مستمرة منخفضة مُحسَّنة دائمًا للنبضات القصيرة عالية التيار. ومن ناحية أخرى، فإن اختيار بطاريةٍ بناءً على قدرتها فقط على تحمُّل النبضات العالية قد يؤدي إلى زيادة الحجم أو التكلفة أو التفريغ الذاتي دون ضرورة.

ومن الحلول العملية دمج بطارية ليثيوم-ثيونيل كلوريد مع مكثف ليثيوم-أيون.

وفي شركة كاوون، تشمل التركيبات النموذجية ما يلي:

• إي آر١٠٤٥٠ + إل آي سي٠٨١٣

• إي آر١٤٢٥٠ + إل آي سي٠٨٢٠

• إي آر١٤٥٠٥ + إل آي سي١٠٢٠

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

صُمِّمت هذه التوليفات لتحقيق توازنٍ بين متطلَّبين مهمَّين في معدَّات إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات:

توفير الطاقة على المدى الطويل والطاقة النبضية العالية لفترات قصيرة.

لماذا تحتاج أجهزة إنترنت الأشياء إلى كلٍّ من الطاقة والقدرة

لا تستهلك جهاز إنترنت الأشياء اللاسلكي النموذجي التيار بمعدلٍ ثابت.

قد يبدو دورة تشغيله كالتالي:

النوم → الاستيقاظ → القياس → إرسال البيانات → العودة إلى وضع النوم

وأثناء وضع النوم، قد يكون استهلاك التيار منخفضًا للغاية.

مع ذلك، عند تفعيل وحدة الاتصال، قد يزداد الطلب على التيار بشكلٍ كبيرٍ لفترة قصيرة.

وهذا أمرٌ شائعٌ في الأجهزة التي تستخدم تقنيات الاتصال مثل:

• NB-IoT

• LTE-M

• الـ GSM

• LORA

• LoRaWAN

• نظام تحديد المواقع العالمي

• الاتصال بالترددات الراديوية

وهذا يعني أن استهلاك التيار المتوسط وحده لا يكفي لاختيار البطارية المناسبة.

كما يجب على المهندسين أخذ العوامل التالية في الاعتبار:

• أقصى تيار

• مدة النبضة

• تكرار النبضات

• أدنى جهد تشغيلي

• درجة الحرارة

• المدة المتوقعة للخدمة

• والمساحة المتاحة للتثبيت.

قد تحتوي البطارية على طاقة إجمالية كافية لتشغيل جهازٍ لسنوات عديدة، لكن الجهاز قد يفشل مع ذلك إذا انخفض الجهد دون أدنى جهد تشغيل مطلوب للإلكترونيات أثناء الإرسال.

وهنا تصبح حلول بطارية الـ ER مع المكثفات الفائقة (LIC) مفيدة.

ما هي بطارية الليثيوم-ثيونيل كلوريد من نوع الـ ER؟

بطاريات الـ ER هي بطاريات ليثيوم أولية تعتمد على كيمياء الليثيوم-ثيونيل كلوريد، وتُكتب عادةً على النحو Li-SOCl2.

وتوفّر عادةً جهداً اسماًياً قدره 3.6 فولت، وتُستخدم على نطاق واسع في المعدات الصناعية وإنترنت الأشياء (IoT) نظراً لعدة خصائص مهمة:

• كثافة طاقة عالية،

• تفريغ ذاتي منخفض،

• قدرة تخزين طويلة الأمد،

• استقرار الجهد أثناء التفريغ بمعدل منخفض،

• قدرة واسعة على التشغيل ضمن نطاق درجات حرارة متنوع،

• وملاءمة للتشغيل غير المراقب على المدى الطويل.

تشمل أحجام بطاريات الـ ER الشائعة:

ER10450 وER14250 وER14505 وER26500 وER34615.

وتكون الخلايا الأصغر مفيدة عندما تكون مساحة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) وأبعاد المنتج محدودة، بينما توفر الخلايا الأكبر مثل ER26500 وER34615 طاقةً أكبر بكثيرً لتطبيقات تتطلب عمر خدمة أطول.

ومع ذلك، فإن سعة الطاقة ليست سوى جزءٍ من تصميم نظام الطاقة.

لماذا نضيف مكثف ليثيوم-أيون؟

يُستخدم مكثف الليثيوم-أيون (LIC) كمكون داعم عالي القدرة.

وفي نظام طاقة هجين مصمم بشكل سليم، توفّر بطارية الـ ER الطاقة طويلة الأمد المطلوبة من الجهاز، بينما يساعد المكثف (LIC) في تلبية فترات الطلب العالي على التيار لفترات قصيرة.

وهنا طريقة بسيطة لفهم هذه العلاقة:

بطارية إر = طاقة طويلة المدى

ليـك = طاقة نبضية قصيرة المدى

أثناء التشغيل العادي في وضع الاستعداد، تزود بطارية إر التيار الخلفي المنخفض.

عندما يستيقظ الجهاز وتبدأ وحدة الاتصال اللاسلكي في الإرسال، يمكن لليـك أن تساعد في توفير تيار النبضة الإضافي المطلوب من الحمل.

بعد حدث الإرسال، يعود النظام إلى حالته من استهلاك الطاقة المنخفض.

يمكن لهذا التصميم أن يساعد في تحسين استقرار الجهد أثناء أحداث التيارات العالية وتقليل الإجهاد الكهربائي الواقع مباشرةً على البطارية الأساسية.

لماذا لا نستخدم بطارية لي-سوسـل₂ وحدها؟

تُعد بطاريات لي-سوسـل₂ جذّابةً بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب عمر تشغيلٍ طويل بسبب انخفاض معدل شحنها الذاتي وكثافتها العالية للطاقة.

ومع ذلك، فإن العديد من خلايا إر ذات السعة العالية مُحسَّنة أساسًا لتفريغ تيار منخفض على مدى طويل.

ومن خصائص كيمياء لي-سوسـل₂ الأخرى تشكُّل طبقة عازلة.

أثناء التخزين والتشغيل عند تيارات منخفضة، يتكون طبقة واقية على سطح الليثيوم. وتُسهم هذه الطبقة في الخصائص الممتازة للبطارية من حيث التخزين ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض.

ومع ذلك، وفي ظل ظروف تشغيل معينة، لا سيما بعد فترات تخزين طويلة، قد يؤدي ازدياد مفاجئ في الحمل إلى انخفاض مؤقت في الجهد.

وفي الدوائر ذات القدرة المنخفضة البسيطة، قد لا يكون هذا الانخفاض مهمًّا.

أما في وحدة الاتصالات الخاصة بالإنترنت للأشياء (IoT)، فإن الانخفاض المؤقت في الجهد قد يكون بالغ الأهمية.

فإذا انخفض جهد النظام دون أدنى جهد تشغيلي مطلوب لمودم أو وحدة التحكم الدقيق (MCU) أو دائرة التردد اللاسلكي (RF)، فقد يُعاد تهيئة الجهاز أو يفشل في التسجيل ضمن الشبكة أو يفقد إرسال البيانات.

ويُمكن أن يساعد إضافة خلية ليثيوم-أيون مكثفية (LIC) مُختارة بعناية في تزويد التيار اللازم لفترات قصيرة خلال هذه الأحداث.

ستة ترتيبات تضم خلايا ER مع خلايا LIC لتلبية متطلبات مختلفة للإنترنت للأشياء

وتتطلب منتجات الإنترنت للأشياء المختلفة تركيبات مختلفة من سعة الطاقة وقدرة النبض والحجم المادي.

تقدم شركة كاون تشكيلات متعددة من بطاريات ER مع مكثفات LIC لتغطية مختلف متطلبات الاستخدام.

إي آر١٠٤٥٠ + إل آي سي٠٨١٣

هذه التركيبة المدمجة مناسبة للمنتجات الصغيرة جدًّا في إنترنت الأشياء، حيث يُعتبر حجم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) وحجم البطارية عاملَيْن مهمين.

ومن أبرز التطبيقات النموذجية ما يلي:

• أجهزة استشعار لاسلكية مدمجة،

• أجهزة رصد صغيرة،

• مرسلات ذات دورة تشغيل منخفضة،

• أجهزة تتبع صغيرة،

• إلكترونيات مرافق مدمجة.

وهي مناسبة بشكل خاص عندما يتطلب النظام بطارية أولية صغيرة مع الاستفادة في الوقت نفسه من دعم إضافي للنبضات.

إي آر١٤٢٥٠ + إل آي سي٠٨٢٠

ER14250 هي بطاقة ليثيوم-ثيونيل كلوريد مدمجة شائعة الاستخدام في الإلكترونيات الصناعية ومنتجات الاستشعار الذكية.

وعند زوجها مع LIC0820، فإنها توفر توازنًا مفيدًا بين الأبعاد المدمجة، وطول مدة التشغيل في وضع الاستعداد، والاتصال اللاسلكي الدوري.

وتشمل التطبيقات المحتملة ما يلي:

• أجهزة استشعار ذكية،

• عدادات كهربائية مدمجة،

• أجهزة أمنية،

• وحدات مراقبة عن بُعد،

• أجهزة تردد لاسلكي منخفضة الطاقة.

إي آر١٤٥٠٥ + إل آي سي١٠٢٠

توفر خلية ER14505 سعة طاقة أعلى مع الحفاظ على الشكل المألوف لحجم AA.

وبالاشتراك مع LIC1020، يمكن اعتبار هذه التكوينات في منتجات الإنترنت للأشياء التي تتطلب فترة تشغيل أطول أو طلب اتصال أكبر مقارنةً بأنظمة البطاريات الأصغر.

ومن أبرز التطبيقات النموذجية ما يلي:

• عدادات المياه الذكية،

• عدادات الغاز،

• أجهزة تتبع الأصول،

• عُقد لورا ولورا وان،

• أجهزة استشعار إن بي-آي أو تي،

• أنظمة المراقبة الصناعية.

ER26500 + LIC1320

مع ازدياد متطلبات الطاقة، يصبح إر٢٦٥٠٠ خيارًا جذّابًا لأنظمة الإنترنت الصناعي للأشياء ذات العمر الطويل.

توفر البطارية الأكبر طاقةً متاحةً أكبر بكثيرٍ مقارنةً بخلايا إر المدمجة، بينما تدعم خلية ليك١٣٢٠ النظام أثناء الاتصال أو أحداث الحمل الأقصى الأخرى.

وتشمل التطبيقات المحتملة ما يلي:

• أجهزة مراقبة إن بي-آي أو تي،

• وحدات القياس عن بُعد،

• أجهزة الاستشعار الصناعية،

• معدات قياس الاستهلاك الذكية،

• إنترنت الأشياء الزراعي،

• رصد البيئة،

• رصد البنية التحتية.

هذا النوع من التركيبات مفيدٌ بشكل خاص للأجهزة المُتوقَّع أن تبقى في الموقع لفترات طويلة دون استبدال متكرر للبطارية.

ER34615 + LIC1620

إن بطارية ER34615 هي بطارية ليثيوم-ثيونيل كلوريد بحجم D، وتُختار عادةً عندما تكون مدة الخدمة الطويلة والطاقة الإجمالية العالية أمراً بالغ الأهمية.

وعند زوجها مع LIC1620، يمكنها دعم تطبيقات الإنترنت للأشياء (IoT) ذات المتطلبات العالية التي تجمع بين استهلاك كهربائي منخفض جداً في وضع الاستعداد واتصالات دورية عالية التيار.

وتشمل التطبيقات المحتملة ما يلي:

• عدادات ذكية طويلة العمر،

• أنظمة الرصد عن بُعد،

• القياس عن بُعد الصناعي،

• تحديد المواقع عبر نظام GPS وتتبع الأصول،

• رصد خطوط الأنابيب،

• معدات إنترنت الأشياء الخارجية،

• أجهزة استشعار متصلة بالشبكة الخلوية.

ER34615 + LIC1840

لتطبيقات تتطلب طاقةً عاليةً وأحمالَ نبضيةً أكثر تطلباً، يوفّر المزيج ER34615 + LIC1840 خياراً آخر.

يمكن أخذ المكثف الأكبر (LIC) في الاعتبار عندما تتطلب أنظمة الاتصال اللاسلكي أو بنية الجهاز دعماً أقوى للأحمال النبضية.

ومن أبرز التطبيقات النموذجية ما يلي:

• أجهزة NB-IoT عالية القدرة،

• محطات اتصال LTE-M،

• المراقبة الصناعية عن بُعد،

• أجهزة التتبع،

• البنية التحتية الذكية،

• معدات المرافق العامة،

• الأنظمة المتصلة الخارجية.

يجب دائمًا اختيار تركيبة البطارية ووحدة التخزين المكثفية (LIC) بدقة وفقًا للملف الكهربائي الفعلي للجهاز، وليس وفقًا لاسم التطبيق فقط.

كيفية اختيار التركيبة المناسبة من بطارية ER ووحدة التخزين المكثفية (LIC)

لا توجد تركيبة بطارية واحدة مثالية لكل تطبيقات الإنترنت للأشياء (IoT).

تبدأ حلول الطاقة الموثوقة بفهم ملف الحمل الفعلي.

قبل اختيار بطارية ER ووحدة التخزين المكثفية (LIC)، يجب على المهندسين تقييم المعاملات التالية.

١. تيار الانتظار

ما مقدار التيار الذي يستهلكه الجهاز أثناء وضع السكون؟

وبما أن أجهزة الإنترنت للأشياء (IoT) قد تقضي معظم عمرها التشغيلي في وضع الانتظار، فإن أي تغيير طفيف في تيار السكون يمكن أن يؤثر تأثيرًا كبيرًا في العمر الإجمالي للبطارية.

٢. تيار الذروة

ما هو أعلى تيار مطلوب عند تفعيل الوضعية، أو الراديو، أو المحرك، أو الصمام، أو أي حمل آخر؟

هذه إحدى أهم المعايير عند اختيار وحدة التحكم في التحميل.

٣. مدة النبضة

النبضة القصيرة التي تدوم بضعة ملي ثانية تختلف تمامًا عن الحمل الذي يبقى مرتفعًا لعدة ثوانٍ.

لذلك يجب أخذ التيار الأقصى ومدة النبضة معًا في الاعتبار.

٤. تردد الإرسال

كم مرة يتواصل الجهاز؟

مرة واحدة يوميًّا؟

مرة واحدة كل ساعة؟

كل بضع دقائق؟

قد تُفرض متطلباتٌ مختلفةٌ جدًّا على نظام البطارية من قِبل جهازٍ يُرسل إشاراتٍ بشكلٍ متكرِّرٍ مقارنةً بجهازٍ يُرسل حزمةً واحدةً قصيرةً في اليوم.

٥. أدنى جهد تشغيلي

لكل نظام إلكتروني أدنى جهدٍ لا يمكن فيه ضمان التشغيل الموثوق به.

يجب أن يحافظ حل الطاقة على جهدٍ كافٍ أثناء أقصى ظروف التحميل.

٦. درجة حرارة التشغيل

تؤثر درجة الحرارة في أداء البطارية، وسلوك النبضات، والمقاومة الداخلية، والسعة القابلة للاستخدام.

قد تتعرَّض أجهزة إنترنت الأشياء الخارجية والصناعية لظروفٍ مختلفةٍ جدًّا عن تلك التي تتعرَّض لها الإلكترونيات الداخلية.

٧. العمر التشغيلي المطلوب

لا ينبغي تلقائيًّا استخدام نفس البطارية في تصميمٍ مدته خمس سنواتٍ ومثيله الذي مدته خمس عشرة سنةً.

يجب تقييم العمر المتوقع معًا مع تيار الاستعداد، وتكرار الإرسال، والتفريغ الذاتي، والظروف البيئية.

٨. المساحة المتاحة للتركيب

يجب أن يتناسب الحل الكهربائي المثالي مع حجم الجهاز.

لهذا السبب، تُعدّ مجموعات متعددة تتراوح بين ER10450 + LIC0813 وER34615 + LIC1840 مفيدة.

هل يؤدي إضافة خلية LIC إلى زيادة سعة البطارية بالآمبير-ساعة؟

وهذا فرقٌ مهمٌ جدًّا.

عادةً لا تُضاف خلية LIC أساسًا لزيادة السعة الاسمية بالآمبير-ساعة للبطارية من نوع ER.

والغرض الرئيسي منها هو تحسين توصيل القدرة خلال الفترات القصيرة.

وتظل بطارية ER هي مصدر الطاقة الأساسي على المدى الطويل.

وتعمل خلية LIC كعازل للطاقة أثناء أحمال النبضات.

وبالتالي، عند حساب العمر التشغيلي المتوقع، يجب على المهندسين تقييم السعة القابلة للاستخدام في بطارية ER مع دورة العمل الكاملة للجهاز.

مقارنة بين بطارية ER مع خلية LIC وبطارية عالية المعدل

توجد عدة طرق لتغذية جهاز إنترنت الأشياء عالي النبضات بالطاقة.

ومن الخيارات استخدام كيمياء بطارية أو تركيب خلية مُصمَّم خصيصًا لتحمل تيارات مستمرة ونبضية أعلى.

أما الخيار الآخر فهو دمج خلية ليثيوم-ثيونيل كلوريد (Li-SOCl₂) عالية الطاقة مع مكوِّن داعم للنبضات مثل المكثِّف الليثيوم الأيوني (LIC).

والاختيار الصحيح يعتمد على طبيعة التطبيق.

ويمكن أن يكون هيكل البطارية المكوَّن من خلية ER مع LIC جذّابًا بشكل خاص عندما يحتاج النظام إلى:

• معدل تفريغ ذاتي منخفض جدًّا،

• عمر انتظار طويل،

• طاقة إجمالية عالية،

• ونبضات تيار عالي دورية فقط.

وبدلًا من تحسين البطارية بأكملها لتناسب حدث اتصال قصير، يفصل النظام بين متطلبات الطاقة ومتطلبات القدرة.

التطبيقات النموذجية لأنظمة طاقة ER + LIC

يمكن أخذ هذا النوع من معمارية الطاقة الهجينة في الاعتبار للعديد من المنتجات المتصلة التي تعمل بالبطاريات، ومنها:

عدادات ذكية

• عدادات المياه الذكية

• عدادات الغاز الذكية

• عدادات كهرباء ذكية

• عدادات الحرارة

إنترنت الأشياء اللاسلكي

• أجهزة الاستشعار القائمة على NB-IoT

• الأجهزة القائمة على LTE-M

• العقد القائمة على LoRaWAN

• معدات الاتصالات الراديوية

التتبع

• أجهزة تتبع GPS

• أجهزة تتبع الأصول

• أجهزة مراقبة اللوجستيات

• منارات تحديد المواقع عن بُعد

إنترنت الأشياء الصناعية

• مستشعرات صناعية

• معدات المراقبة عن بُعد

• مراقبة خطوط الأنابيب

• مراقبة البنية التحتية

• أنظمة الأمن والإنذار

مراقبة البيئة والزراعة

• حساسات الطقس

• معدات مراقبة التربة

• أجهزة إنترنت الأشياء الزراعية

• مسجِّلات بيانات البيئة

لماذا يُعَدُّ ملفّ التحميل الكامل أمرًا بالغ الأهمية

اختيار بطارية إنترنت الأشياء المناسبة ليس مسألة اختيار أكبر سعة ممكنة فحسب.

فعلى سبيل المثال، قد تستخدم جهازان اتصال NB-IoT، لكن متطلبات الطاقة لكلٍّ منهما تختلف تمامًا.

قد يرسل الجهاز (أ) رسالة قصيرة واحدة كل ٢٤ ساعة.

أما الجهاز (ب) فقد يرسل البيانات كل ١٥ دقيقة ويقوم بتسجيل الدخول إلى الشبكة بشكل متكرر.

وحتى لو استخدم كلا المنتجين نفس تقنية الاتصال، فإن متطلبات البطارية قد تختلف اختلافًا كبيرًا.

ولهذا السبب، فإن أكثر المعلومات فائدةً عند طلب حلٍّ للطاقة تشمل:

• تيار التشغيل العادي،

• تيار السكون،

• أقصى تيار نابض،

• مدة النبضة

• تكرار الاتصال،

• أدنى جهد تشغيلي

• نطاق درجة حرارة البيئة،

• عمر الخدمة المستهدف،

• وأبعاد البطارية المتاحة.

وباستخدام هذه المعلومات، يمكن تقييم مجموعة بطارية ER وبطارية LIC أكثر ملاءمة.

منصة طاقة قابلة للتوسّع للأجهزة المُتصلة بالإنترنت من الأشياء (IoT)

يتكوّن نطاق التوليفات من ER10450 + LIC0813 إلى ER34615 + LIC1840 لتشكيل منصة قابلة للتوسّع تلبي أحجام منتجات الإنترنت من الأشياء المختلفة ومتطلبات الطاقة الخاصة بها.

وتستطيع التوليفات الأصغر دعم أجهزة الاستشعار المتصلة المدمجة حيث تكون مساحة التركيب محدودة.

أما التكوينات متوسطة الحجم فتخدم عدادات الذكية وأنظمة التتبع وأجهزة الاستشعار اللاسلكية عمومًا.

أما التوليفات الأكبر فتدعم الأجهزة الصناعية النائية التي تتطلب كلاً من عمر تشغيل طويل وأداء قوي في نبضات الطاقة.

بدلاً من معاملة البطارية كمكون منفصل، يمكن لمطوري إنترنت الأشياء تقييم بنية الطاقة الكاملة وفقًا لدورة التشغيل الفعلية للجهاز.

الخاتمة

تتطلب أجهزة إنترنت الأشياء الحديثة أكثر من مجرد بطارية ذات سعة كبيرة.

فهي غالبًا ما تتطلب نظام طاقة قادرًا على توصيل تيار منخفض جدًّا بكفاءةٍ عاليةٍ لأشهر أو سنواتٍ عديدة، مع القدرة في الوقت نفسه على دعم فترات قصيرة من تيار أعلى بكثير أثناء الاتصال.

ويُعَدُّ دمج بطارية ليثيوم-ثيونيل كلوريد (ER) مع مكثف ليثيوم-أيون (LIC) إحدى الطرق العملية لتلبية هذين الشرطين معًا.

وتوفِّر بطارية ER الطاقة على المدى الطويل.

أما المكثف LIC فيوفِّر الدعم اللازم للتيار النبضي.

ومن التوليفات المدمجة مثل إي آر١٠٤٥٠ + إل آي سي٠٨١٣ إلى أنظمة الطاقة الأعلى مثل ER34615 + LIC1840 يعتمد الحل المناسب على التيار الراقد الفعلي للجهاز، والتيار النبضي، ومدة النبضة، وتكرار الاتصال، ودرجة الحرارة، والمدة المطلوبة لعمر الخدمة.

وبالتالي فإن أهم سؤالٍ عند اختيار بطارية إنترنت الأشياء ليس ببساطة:

أي بطارية لديها أكبر سعة؟

والسؤال الأفضل هو:

أي تركيبة طاقة تتناسب بشكل أفضل مع ملف التشغيل الفعلي للجهاز؟

يمكن لشركة كاون دعم تكوينات مخصصة من بطاريات ER وبطاريات LIC لمختلف تطبيقات الإنترنت للأشياء (IoT) وقياس الطاقة الذكي وتتبع المواقع والتطبيقات الصناعية، استنادًا إلى المتطلبات الكهربائية والميكانيكية الخاصة بالعميل.