ER Батерия + LIC за IoT: Ръководство за високопулсираща мощност на Li-SOCl2

ER батерия + LIC за IoT: Избор на подходящо решение с висока импулсна мощност на базата на Li-SOCl2

Тъй като все повече устройства за Интернет на нещата (IoT) се използват в интелигентни броячи, дистанционно наблюдение, проследяване на активи, екологично сензорно оборудване и индустриална автоматизация, проектирането на енергийното захранване става все по-важно.

Много устройства за Интернет на нещата имат една обща характеристика: те потребяват изключително малко енергия повечето време, но периодично изискват значително по-висок ток, когато безжичният модул се събужда и предава данни.

Това създава предизвикателство.

Батерията, която работи изключително добре при ниски постоянни натоварвания, не винаги е оптимизирана за кратки импулси с висок ток. От друга страна, изборът на батерия само за висока импулсна способност може да увеличи ненужно размера, разходите или саморазреждането.

Едно практически приложимо решение е комбинирането на батерия от литиев тионилхлорид с литиево-йонен кондензатор.

В Cowon типичните комбинации включват:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Тези комбинации са проектирани така, че да осигуряват баланс между две важни изисквания за IoT-устройства с батерийно захранване:

дългосрочно енергоснабдяване и краткотрайна високопулсова мощност.

Защо IoT-устройствата имат нужда и от енергия, и от мощност

Типично безжично IoT-устройство не консумира ток с постоянна скорост.

Работният му цикъл може да изглежда по следния начин:

Спящ режим → Събуждане → Измерване → Предаване на данни → Връщане към спящ режим

По време на спящия режим консумацията на ток може да е изключително ниска.

Обаче, когато модулът за комуникация е активиран, токовата консумация може да нарасне значително за кратък период.

Това е често срещано при устройства, използващи технологии за комуникация като:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF комуникация

Това означава, че средната токова консумация сама по себе си не е достатъчна за избора на правилната батерия.

Инженерите също трябва да вземат предвид:

• върхов ток,

• продължителност на импулса,

• честота на импулса,

• минимално работно напрежение,

• температура,

• очакван срок на експлоатация,

• и наличното монтажно пространство.

Батерията може да съдържа достатъчно енергия, за да поддържа работата на устройството в продължение на много години, но устройството все пак може да излезе от строя, ако напрежението падне под минималното работно напрежение на електрониката по време на предаване.

Това е мястото, където решението ER батерия + LIC става полезно.

Какво представлява ER Li-SOCl2 батерията?

ER батериите са първични литиеви батерии, базирани на химията литий-тионилхлорид, обикновено записвана като Li-SOCl2.

Обикновено те осигуряват номинално напрежение от 3,6 V и се използват широко в промишлени и IoT устройства поради няколко важни характеристики:

• висока енергийна плътност,

• ниско саморазреждане,

• дълъг срок на съхранение,

• стабилно напрежение при разряд с ниска скорост,

• широк диапазон на работна температура,

• и пригодност за дълготрайна експлоатация без наблюдение.

Често срещани размери на ER батерии включват:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 и ER34615.

По-малките клетки са полезни, когато пространството на печатната платка и габаритите на продукта са ограничени, докато по-големите клетки като ER26500 и ER34615 осигуряват значително по-голяма енергия за приложения, изискващи по-дълъг срок на експлоатация.

Обаче енергийната капацитетност е само част от проектирането на енергийната система.

Защо да се добави литиево-йонен кондензатор?

Литиево-йонният кондензатор (LIC) се използва като компонент с висока мощност.

В правилно проектирана хибридна енергийна система ER батерията осигурява дългосрочната енергия, необходима за устройството, докато LIC подпомага краткотрайните периоди с високо токово натоварване.

Прост начин да се разбере това взаимоотношение е:

ER батерия = дългосрочна енергия

LIC = кратковременна импулсна мощност

По време на нормална резервна работа ER батерията осигурява ниския фонов ток.

Когато устройството се събуди и безжичният модул започне предаване, LIC може да помогне за осигуряване на допълнителния импулсен ток, необходим за товара.

След предаването системата се връща в състоянието си с ниско енергопотребление.

Тази архитектура може да подобри стабилността на напрежението по време на събития с висок ток и да намали електрическото напрежение, приложено директно върху основната батерия.

Защо не използваме само Li-SOCl2 батерия?

Li-SOCl2 батериите са особено привлекателни за приложения, които изискват дълъг срок на експлоатация, благодарение на ниската им саморазрядка и високата им енергийна плътност.

Обаче много висококапацитетни ER клетки са оптимизирани предимно за дългосрочно разреждане при нисък ток.

Друга характеристика на Li-SOCl2 химията е пасивацията.

По време на съхранение и при работа с нисък ток върху повърхността на лития се формира защитен слой. Този слой допринася за отличните характеристики при съхранение и ниския саморазряд на батерията.

Обаче при определени работни условия, особено след продължително съхранение, внезапно увеличаване на товара може да предизвика временен спад на напрежението.

За проста нискомощностна верига това може да не е важно.

За модул за IoT комуникация обаче временният спад на напрежението може да е критичен.

Ако напрежението на системата падне под минималното работно напрежение на модема, MCU или RF веригата, устройството може да се рестартира, да не успее да се регистрира в мрежата или да изгуби предаване на данни.

Добавянето на подходящо избран LIC може да помогне за осигуряване на краткотрайния ток, необходим по време на такива събития.

Шест ER + LIC конфигурации за различни IoT изисквания

Различните IoT продукти изискват различни комбинации от енергийна вместимост, импулсна способност и физически размер.

Cowon предлага няколко конфигурации ER + LIC, за да охване различни приложни изисквания.

ER10450 + LIC0813

Тази компактна комбинация е подходяща за миниатюрни IoT продукти, където пространството на PCB и размерът на батерията са важни фактори.

Типични приложения могат да включват:

• компактни безжични сензори,

• малки устройства за мониторинг,

• предаватели с нисък цикъл на работа,

• малки устройства за проследяване,

• компактна употребителска електроника.

Тя е особено подходяща, когато системата изисква малка първична батерия, но все пак има полза от допълнителна импулсна поддръжка.

ER14250 + LIC0820

ER14250 е разпространен компактен размер на Li-SOCl2 батерии, използван в индустриална електроника и продукти за умно сензиране.

Когато се комбинира с LIC0820, тя осигурява полезен баланс между компактни габарити, дълга работа в режим на готовност и периодична безжична комуникация.

Възможни приложения включват:

• умни сензори,

• компактни битови броячи,

• устройства за сигурност,

• възли за дистанционно наблюдение,

• устройства с ниско енергийно потребление за радиочестотна връзка.

ER14505 + LIC1020

ER14505 предлага по-висока енергийна капацитетност, като запазва познатия формат на батерия тип AA.

В комбинация с LIC1020 тази конфигурация може да се разглежда за IoT продукти, които изискват по-дълъг период на работа или по-голяма комуникационна мощност в сравнение с по-малките батерийни системи.

Типични приложения могат да включват:

• умни водомери,

• газомери,

• устройства за проследяване на активи,

• Възли за LoRa и LoRaWAN,

• Сензори за NB-IoT,

• системи за промишлен мониторинг.

ER26500 + LIC1320

С увеличаването на енергийните изисквания ER26500 става привлекателен вариант за промишлени IoT системи с дълъг срок на експлоатация.

По-голямата батерия осигурява значително повече достъпна енергия в сравнение с компактните ER клетки, докато LIC1320 поддържа системата по време на комуникация или други събития с високо натоварване.

Възможни приложения включват:

• Устройства за мониторинг чрез NB-IoT,

• далечни телеметрични единици,

• промишлени сензори,

• оборудване за интелигентно измерване,

• селскостопанска IoT,

• мониторинг на околната среда,

• мониторинг на инфраструктурата.

Този тип комбинация е особено полезен за устройства, които се очаква да останат на терена в продължение на дълги периоди без честа подмяна на батерията.

ER34615 + LIC1620

ER34615 е литиево-тионилхлоридна батерия с формат D, която често се избира, когато са важни дългият срок на служба и високата общо достъпна енергия.

В комбинация с LIC1620 тя може да поддържа изискващи IoT приложения, които обединяват много ниско потребление в режим на готовност с периодична високотокова комуникация.

Възможни приложения включват:

• смарт метри с дълъг срок на служба,

• отдалечени системи за мониторинг,

• индустриална телеметрия,

• GPS и проследяване на активи,

• мониторинг на тръбопроводи,

• външно IoT оборудване,

• сензори с клетъчна връзка.

ER34615 + LIC1840

За приложения с високи изисквания към енергията и по-изискващи импулсни натоварвания ER34615 + LIC1840 предоставя друга възможност.

По-големият LIC може да се разглежда, когато системата за безжична комуникация или архитектурата на устройството изискват по-силна поддръжка за импулси.

Типични приложения могат да включват:

• устройства за високомощен NB-IoT,

• Терминали за LTE-M комуникация,

• дистанционен промишлен мониторинг,

• устройства за проследяване,

• интелигентна инфраструктура,

• електрооборудване,

• външни свързани системи.

Точната комбинация от батерия и LIC винаги трябва да се избира според реалния електрически профил на устройството, а не само според името на приложението.

Как да изберете подходящата комбинация от ER и LIC

Няма една-единствена батерийна комбинация, която е идеална за всяко IoT приложение.

Надеждно енергийно решение започва с разбиране на действителния профил на натоварването.

Преди да изберат батерия ER и LIC, инженерите трябва да оценят следните параметри.

1. Ток в режим на готовност

Колко ток потребява устройството, докато е в спящ режим?

Тъй като IoT устройствата могат да прекарват повечето от своя експлоатационен живот в режим на готовност, дори малка промяна в тока в спящ режим може да окаже значително влияние върху общия срок на служба на батерията.

2. Връхов ток

Какъв е най-високият ток, необходим при активиране на модема, радиото, двигателя, клапана или друга товарна верига?

Това е един от най-важните параметри при избора на LIC.

3. Продължителност на импулса

Кратък импулс с продължителност няколко милисекунди е напълно различен от товар, който остава висок в продължение на няколко секунди.

Затова пиковият ток и продължителността на импулса трябва да се разглеждат заедно.

4. Честота на предаване

Колко често устройството комуникира?

Веднъж на ден?

Веднъж на час?

На всеки няколко минути?

Устройството, което предава често, може да постави съвсем различни изисквания към батерийната система в сравнение с устройството, което изпраща един кратък пакет на ден.

5. Минимално работно напрежение

Всяка електронна система има минимално напрежение, под което надеждната работа не може да се гарантира.

Решението за захранване трябва да поддържа достатъчно напрежение по време на най-високото натоварване.

6. Работна температура

Температурата влияе върху производителността на батериите, импулсното им поведение, вътрешното съпротивление и полезната ѝ капацитет.

IoT-устройствата за употреба на открито и в промишлени условия могат да работят при много по-различни условия в сравнение с вътрешните електронни устройства.

7. Изискван срок на експлоатация

Проект с петгодишен срок на експлоатация и проект с петнадесетгодишен срок на експлоатация не трябва автоматично да използва една и съща батерия.

Очакваният срок на експлоатация трябва да се оценява заедно с тока в режим на готовност, честотата на предаване, саморазреждането и експлоатационните условия.

8. Налично място за инсталиране

Идеалното електрическо решение трябва да побира и в устройството.

Затова са полезни различни комбинации – от ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840.

Увеличава ли LIC амперчасовата ёмкост на батерията?

Това е важно разграничение.

Обикновено LIC не се добавя основно, за да се увеличи номиналната амперчасова ёмкост на ER-батерията.

Основната цел е подобряване на подаването на мощност при кратки импулси.

ER-батерията остава основен източник на енергия на дълга база.

LIC действа като буфер за мощност по време на импулсни натоварвания.

Следователно при изчисляване на очаквания експлоатационен живот инженерите трябва да оценяват използваемата ёмкост на ER-батерията заедно с целия работен цикъл на устройството.

ER-батерия + LIC срещу батерия с висока скорост на разряд

Има няколко начина за захранване на високочестотно IoT устройство.

Един от вариантите е да се използва батерийна химия или конструкция на клетка, специално проектирани за по-висок непрекъснат и импулсен ток.

Друг вариант е да се комбинира високоенергиен Li-SOCl2 елемент с компонент за поддръжка на импулси, като например LIC.

Правилният избор зависи от приложението.

Архитектурата ER + LIC може да е особено привлекателна, когато системата има нужда от:

• много ниско саморазреждане,

• дълъг период на резервен режим,

• висока обща енергия,

• и само периодични импулси с висок ток.

Вместо да се оптимизира цялата батерия спрямо кратко комуникационно събитие, системата разделя изискванията към енергията от тези към мощността.

Типични приложения за енергийните системи ER + LIC

Този тип хибридна архитектура за захранване може да се разглежда за много свързани продукти, захранвани от батерии, включително:

Умни измервателни устройства

• Смарт водомер

• Умни газови броячи

• Умни електрически мерни прибори

• Топломери

Безжични IoT устройства

• Датчици NB-IoT

• Устройства LTE-M

• Възли LoRaWAN

• Радиочестотно (RF) комуникационно оборудване

Отслежване

• GPS проследяващи устройства

• Устройства за проследяване на активи

• Устройства за наблюдение на логистиката

• Маяци за дистанционно местоположение

Индустриален IoT

• Промышленни сензори

• Оборудване за дистанционно наблюдение

• Мониторинг на тръбопроводи

• Наблюдение на инфраструктурата

• Системи за сигурност и аларми

Наблюдение на околната среда и селското стопанство

• Метеорологични сензори

• Оборудване за наблюдение на почвата

• IoT устройства за селското стопанство

• Регистратори на данни за околната среда

Защо е важно пълният профил на натоварването

Изборът на правилната IoT батерия не е просто въпрос на избиране на най-голямата възможна капацитет.

Например две устройства могат да използват една и съща NB-IoT комуникация, но да имат напълно различни изисквания към захранването.

Устройство А може да предава един кратък сигнал всеки 24 часа.

Устройство Б може да предава всеки 15 минути и да извършва чести регистрационни процедури в мрежата.

Дори ако и двете продукта използват една и съща комуникационна технология, техните изисквания към батерията могат да са много различни.

Поради тази причина най-полезна информация при поискване на решение за захранване включва:

• нормален работен ток,

• ток в спящ режим,

• максимален импулсен ток,

• продължителност на импулса,

• честота на комуникацията,

• минимално работно напрежение,

• диапазон на температурата на околната среда,

• предвиден срок на експлоатация,

• и налични размери на батерията.

С тази информация може да се оцени по-подходяща комбинация от ER батерия и LIC.

Мащабируема платформа за захранване на IoT устройства

Диапазонът от ER10450 + LIC0813 до ER34615 + LIC1840 създава мащабируема платформа за различни по големина и мощност IoT продукти.

По-малките комбинации могат да поддържат компактни свързани сензори, където монтажното пространство е ограничено.

Конфигурациите от средния клас могат да обслужват умни броилки, проследяване и общи безжични сензори.

По-големите комбинации могат да обслужват отдалечени индустриални устройства, които изискват както дълъг срок на експлоатация, така и по-силна импулсна производителност.

Вместо да разглеждат батерията като самостоятелен компонент, разработчиците на IoT устройства могат да оценяват цялата архитектура на захранването според действителния работен цикъл на устройството.

Заключение

Современните IoT устройства изискват повече от просто батерия с голям капацитет.

Често те изискват система за захранване, способна да доставя много нисък ток ефективно в продължение на месеци или години, като при това поддържа кратки периоди с много по-висок ток по време на комуникация.

Комбинирането на ER батерия с литиево-сулфурен диоксид (Li-SOCl₂) с литиев кондензатор (LIC) представлява един практически начин за удовлетворяване на двете изисквания.

ER батерията осигурява енергия на дълга база.

LIC осигурява поддръжка за импулсно захранване.

От компактни комбинации като ER10450 + LIC0813 до системи с по-висока енергийна мощност като ER34615 + LIC1840 , подходящото решение зависи от действителния ток в режим на готовност, импулсния ток, продължителността на импулса, честотата на комуникация, температурата и необходимия срок на експлоатация на устройството.

При избора на батерия за IoT най-важният въпрос следователно не е просто:

„Коя батерия има най-голям капацитет?“

По-добър въпрос е:

„Коя комбинация на мощността най-добре отговаря на реалния работен профил на устройството?“

Cowon може да поддържа персонализирани конфигурации на ER батерии + LIC за различни IoT, интелигентни системи за измерване, проследяване и индустриални приложения въз основа на електрическите и механичните изисквания на клиента.