Baterie ER + LIC pro IoT: Průvodce vysokovýkonovými pulzními bateriemi Li-SOCl2

Baterie ER a lithiový kondenzátor pro IoT: Výběr správného řešení s vysokým pulzním výkonem na bázi Li-SOCl₂

S rostoucím nasazováním zařízení IoT ve chytrých měřicích systémech, dálkovém monitoringu, sledování aktiv, environmentálním snímání a průmyslové automatizaci se návrh napájení stává stále důležitějším.

Mnoho zařízení IoT má jednu společnou vlastnost: většinu času spotřebuje velmi málo energie, ale občas vyžaduje výrazně vyšší proud, když se bezdrátový modul probudí a přenese data.

To vytváří výzvu.

Baterie, která se vynikajícím způsobem chová při nízkých trvalých zátěžích, nemusí být vždy optimalizována pro krátké pulzy vysokého proudu. Na druhé straně výběr baterie pouze na základě její schopnosti dodávat vysoké pulzy může zbytečně zvýšit její rozměry, cenu nebo samovybíjení.

Jedním praktickým řešením je kombinace lithiové thionylchloridové baterie s lithiovým kondenzátorem.

U společnosti Cowon patří mezi typické kombinace:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Tyto kombinace jsou navrženy tak, aby vyvážily dvě důležité požadavky na bateriově napájené IoT zařízení:

dlouhodobé zásobování energií a krátkodobý výkon vysokých pulsů.

Proč potřebují IoT zařízení jak energii, tak výkon

Typické bezdrátové IoT zařízení nepotřebuje proud stálou rychlostí.

Jeho provozní cyklus může vypadat následovně:

Spánek → Probuzení → Měření → Přenos dat → Návrat do režimu spánku

Během režimu spánku může spotřeba proudu být extrémně nízká.

Při aktivaci komunikačního modulu se však po krátkou dobu může požadavek na proud výrazně zvýšit.

Toto je běžné u zařízení využívajících komunikační technologie, jako jsou:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF komunikace

To znamená, že pro výběr správné baterie nestačí pouze průměrná spotřeba proudu.

Inženýři musí také vzít v úvahu:

• špičkový proud,

• délku pulsu,

• frekvenci pulsu,

• minimální provozní napětí,

• teplotním

• očekávanou životnost,

• a dostupný prostor pro instalaci.

Baterie může obsahovat dostatek celkové energie k provozu zařízení po mnoho let, ale zařízení může přesto selhat, pokud napětí klesne pod minimální provozní napětí elektroniky během přenosu.

Právě zde se ukazuje užitečnost řešení s ER baterií a LIC.

Co je ER Li-SOCl2 baterie?

ER baterie jsou primární lithiové baterie založené na chemii lithia thionylchloridu, obvykle označované jako Li-SOCl2.

Obvykle poskytují jmenovité napětí 3,6 V a jsou široce využívány v průmyslových a IoT zařízeních díky několika důležitým vlastnostem:

• vysoká energetická hustota,

• nízká samo vybíjecí se schopnost,

• dlouhá doba skladování,

• stabilní napětí při vybíjení nízkým proudem,

• široký rozsah provozních teplot,

• a vhodnost pro dlouhodobý provoz bez dozoru.

Běžné rozměry baterií typu ER zahrnují:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 a ER34615.

Menší články jsou užitečné v případech, kdy je omezené místo na tištěné spojovací desce (PCB) a rozměry výrobku, zatímco větší články, jako jsou ER26500 a ER34615, poskytují výrazně vyšší energii pro aplikace vyžadující delší životnost.

Výkonová kapacita však představuje jen jednu část návrhu napájecího systému.

Proč přidat lithiový kondenzátor?

Lithiový kondenzátor (LIC) se používá jako komponent s vysokým výkonem.

V řádně navrženém hybridním napájecím systému baterie typu ER poskytuje dlouhodobou energii potřebnou zařízením, zatímco LIC pomáhá zvládnout krátkodobé špičky vysokého proudového odběru.

Jednoduchý způsob pochopení tohoto vztahu je:

ER baterie = dlouhodobá energie

LIC = krátkodobý pulzní výkon

Během normálního režimu čekání ER baterie zajišťuje nízký základní proud.

Když se zařízení probudí a bezdrátový modul začne přenášet data, LIC může poskytnout dodatečný pulzní proud požadovaný zátěží.

Po ukončení přenosu se systém vrátí do stavu nízké spotřeby.

Tato architektura může zlepšit stabilitu napětí během událostí s vysokým proudem a snížit elektrické namáhání primární baterie.

Proč nepoužít pouze baterii Li-SOCl2?

Baterie Li-SOCl2 jsou zvláště vhodné pro aplikace vyžadující dlouhou životnost díky nízkému samovybíjení a vysoké energetické hustotě.

Mnoho vysokokapacitních ER článků je však optimalizováno především pro dlouhodobý výboj při nízkém proudu.

Další charakteristikou chemie Li-SOCl2 je pasivace.

Během skladování a provozu při nízkém proudu se na povrchu lithia vytvoří ochranná vrstva. Tato vrstva přispívá k vynikajícím vlastnostem baterie při skladování a k nízkému samovybíjení.

Avšak za určitých provozních podmínek, zejména po delším skladování, může náhlý nárůst zátěže způsobit dočasný pokles napětí.

Pro jednoduchý obvod s nízkým výkonem to nemusí být důležité.

Pro komunikační modul IoT je však dočasný pokles napětí kritický.

Pokud klesne napětí systému pod minimální provozní napětí modemu, MCU nebo RF obvodu, může dojít k resetování zařízení, selhání registrace v síti nebo ztrátě přenosu dat.

Přidáním vhodně vybraného LIC lze pomoci zajistit krátkodobý proud potřebný během těchto událostí.

Šest konfigurací ER + LIC pro různé požadavky IoT

Různé produkty IoT vyžadují různé kombinace kapacity energie, schopnosti pulzního výkonu a fyzických rozměrů.

Cowon nabízí několik konfigurací ER + LIC pro pokrytí různých požadavků na použití.

ER10450 + LIC0813

Tato kompaktní kombinace je vhodná pro miniaturizované IoT výrobky, kde jsou důležitými faktory velikost tištěného spojovacího obvodu (PCB) a baterie.

Typické aplikace mohou zahrnovat:

• kompaktní bezdrátové senzory,

• malé monitorovací zařízení,

• vysílače s nízkou pracovní dobou,

• malé sledovací zařízení,

• kompaktní spotřební elektronika.

Je zvláště vhodná v případech, kdy systém vyžaduje malou primární baterii, ale zároveň těží z dodatečné podpory pulzního výkonu.

ER14250 + LIC0820

ER14250 je běžná kompaktní velikost lithiové baterie typu Li-SOCl₂ používaná v průmyslové elektronice a chytrých senzorových výrobcích.

V kombinaci s LIC0820 poskytuje užitečnou rovnováhu mezi kompaktními rozměry, dlouhou dobu čekání a periodickou bezdrátovou komunikací.

Možné aplikace zahrnují:

• chytré senzory,

• kompaktní měřicí přístroje,

• bezpečnostní zařízení,

• uzly pro dálkový monitoring,

• zařízení s nízkou spotřebou energie využívající rádiové frekvence.

ER14505 + LIC1020

Článek ER14505 nabízí vyšší energetickou kapacitu při zachování známého formátu článku typu AA.

V kombinaci s LIC1020 lze tuto konfiguraci zvážit pro IoT produkty, které vyžadují delší dobu provozu nebo vyšší komunikační nároky než menší bateriové systémy.

Typické aplikace mohou zahrnovat:

• chytré vodoměry,

• plynoměry,

• zařízení pro sledování majetku,

• Uzly LoRa a LoRaWAN,

• Čidla NB-IoT,

• průmyslové monitorovací systémy.

ER26500 + LIC1320

S rostoucími požadavky na energii se článek ER26500 stává atraktivní volbou pro průmyslové IoT systémy s dlouhou životností.

Větší baterie poskytuje výrazně více dostupné energie než kompaktní články řady ER, zatímco článek LIC1320 podporuje systém během komunikace nebo jiných událostí s maximálním výkonovým zatížením.

Možné aplikace zahrnují:

• Monitorovací zařízení NB-IoT,

• vzdálené jednotky pro dálkové měření,

• průmyslová čidla,

• inteligentní měřicí zařízení,

• zemědělské IoT,

• monitoring životního prostředí,

• monitoring infrastruktury.

Tento typ kombinace je zvláště užitečný pro zařízení, která mají být po dlouhou dobu nasazena v terénu bez časté výměny baterie.

ER34615 + LIC1620

ER34615 je lithiová baterie typu D s thionylchloridem, která se běžně vybírá v případech, kdy je důležitý dlouhý životní cyklus a vysoká celková energie.

V kombinaci s LIC1620 podporuje náročné IoT aplikace, které kombinují velmi nízkou spotřebu v režimu pohotovosti s periodickou komunikací při vysokém proudu.

Možné aplikace zahrnují:

• chytré měřiče s dlouhou životností,

• vzdálené monitorovací systémy,

• průmyslová telemetrie,

• GPS a sledování aktiv,

• monitoring potrubí,

• venkovní IoT zařízení,

• senzory s buňkovým připojením.

ER34615 + LIC1840

Pro aplikace s vysokými požadavky na energii i náročnějšími pulzními zátěžemi nabízí kombinace ER34615 + LIC1840 další možnost.

Větší LIC lze zvážit v případě, že systém bezdrátové komunikace nebo architektura zařízení vyžaduje silnější podporu pulzní zátěže.

Typické aplikace mohou zahrnovat:

• zařízení NB-IoT s vysokým výkonem,

• Komunikační terminály LTE-M,

• dálkový průmyslový monitoring,

• sledovací zařízení,

• chytrá infrastruktura,

• zařízení pro veřejné služby,

• venkovní propojené systémy.

Přesnou kombinaci baterie a LIC je vždy nutné vybrat na základě skutečného elektrického profilu zařízení, nikoli pouze podle názvu aplikace.

Jak vybrat správnou kombinaci ER + LIC

Neexistuje jediná kombinace baterií, která by byla ideální pro každou IoT aplikaci.

Spolehlivé napájecí řešení začíná pochopením skutečného zátěžového profilu.

Před výběrem baterie ER a LIC by měli inženýři vyhodnotit následující parametry.

1. Proud v režimu čekání

Kolik proudu spotřebuje zařízení v režimu spánku?

Protože IoT zařízení mohou strávit většinu své provozní životnosti v režimu čekání, i malá změna proudu ve spánku může výrazně ovlivnit celkovou životnost baterie.

2. Maximální proud

Jaký je nejvyšší požadovaný proud při aktivaci modemu, rádia, motoru, ventilu nebo jiné zátěže?

Toto je jeden z nejdůležitějších parametrů při výběru LIC.

3. Délka pulsu

Krátký puls trvající několik milisekund se velmi liší od zátěže, která zůstává vysoká po několik sekund.

Maximální proud a délka pulsu je tedy nutné uvažovat společně.

4. Frekvence přenosu

Jak často zařízení komunikuje?

Jednou denně?

Jednou za hodinu?

Každých několik minut?

Zařízení, které přenáší data často, může klást na bateriový systém zcela jiné požadavky než zařízení, které odesílá jednu krátkou zprávu denně.

5. Minimální provozní napětí

Každý elektronický systém má minimální napětí, pod nímž již nelze zaručit spolehlivý provoz.

Řešení napájení musí udržovat dostatečné napětí i za nejvyšší zátěže.

6. Provozní teplota

Teplota ovlivňuje výkon baterie, chování při pulzním zatížení, vnitřní odpor a využitelnou kapacitu.

IoT zařízení pro venkovní a průmyslové použití mohou být vystavena zcela jiným podmínkám než elektronika určená pro vnitřní prostředí.

7. Požadovaná životnost

Návrh na pět let a návrh na patnáct let by neměly automaticky používat stejnou baterii.

Očekávanou životnost je třeba vyhodnotit ve spojení s proudem v režimu čekání, frekvencí přenosu, samovybíjením a environmentálními podmínkami.

8. Dostupný prostor pro instalaci

Ideální elektrické řešení musí stále vejít do zařízení.

Proto jsou užitečné různé kombinace, od ER10450 + LIC0813 po ER34615 + LIC1840.

Zvyšuje LIC kapacitu baterie v Ah?

Toto je důležitý rozdíl.

LIC se obvykle nepřidává primárně za účelem zvýšení jmenovité kapacity ER baterie v Ah.

Hlavním účelem je zlepšit dodávku výkonu po krátkou dobu.

ER baterie zůstává primárním zdrojem energie na dlouhou dobu.

LIC funguje jako vyrovnávací zásobník výkonu při pulzní zátěži.

Při výpočtu očekávané životnosti proto inženýři stále musí vyhodnotit využitelnou kapacitu ER baterie spolu s celým cyklem zatížení zařízení.

ER baterie + LIC versus baterie s vysokým proudem

Existuje několik způsobů, jak napájet zařízení IoT s vysokými pulzy.

Jednou z možností je použít chemii baterie nebo konstrukci článku speciálně navrženou pro vyšší trvalý a pulzní proud.

Další možností je kombinovat vysokovýkonný Li-SOCl2 článek s komponentou podporující pulzy, například LIC.

Správná volba závisí na konkrétní aplikaci.

Architektura ER + LIC může být zvláště výhodná, pokud systém vyžaduje:

• velmi nízký samovybíjecí proud,

• dlouhou dobu čekání v pohotovostním režimu,

• vysokou celkovou energii,

• a pouze občasné pulzy vysokého proudu.

Místo optimalizace celé baterie pro krátkou komunikační událost systém odděluje požadavky na energii od požadavků na výkon.

Typické aplikace pro napájecí systémy ER + LIC

Tento typ hybridního napájecího architektury lze zvážit pro mnoho baterií napájených připojených produktů, včetně:

Chytré měření

• Chytré vodoměry

• Chytrých plynoměrů

• Chytré elektrické čítače

• Teplovodních měřičů

Bezdrátových IoT zařízení

• Čidel NB-IoT

• Zařízení LTE-M

• Uzly LoRaWAN

• RF komunikačního vybavení

Sledování

• GPS sledovače

• Zařízení pro sledování majetku

• Zařízení pro monitorování logistiky

• Beacony pro dálkové určení polohy

Průmyslový Internet věcí

• Průmyslové senzory

• Zařízení pro dálkové monitorování

• Monitorování potrubí

• Monitorování infrastruktury

• Bezpečnostní a poplachové systémy

Monitorování životního prostředí a zemědělství

• Čidla počasí

• Zařízení pro monitorování půdy

• IoT zařízení pro zemědělství

• Záznamníky environmentálních dat

Proč je důležitý úplný profil zatížení

Výběr správného IoT akumulátoru není pouze otázkou výběru největší možné kapacity.

Například dvě zařízení mohou využívat komunikaci NB-IoT, avšak jejich požadavky na výkon mohou být zcela odlišné.

Zařízení A může odesílat jednu krátkou zprávu každých 24 hodin.

Zařízení B může odesílat zprávy každých 15 minut a často provádět registraci v síti.

I když obě zařízení využívají stejnou komunikační technologii, jejich požadavky na akumulátor mohou být velmi rozdílné.

Z tohoto důvodu jsou nejužitečnějšími informacemi při žádosti o řešení napájení:

• normální provozní proud,

• proud ve spánkovém režimu,

• maximální proudový impulz,

• délku pulsu,

• frekvence komunikace,

• minimální provozní napětí,

• rozmezí teploty prostředí,

• požadovaná životnost,

• a dostupné rozměry baterie.

S těmito údaji lze vyhodnotit vhodnější kombinaci baterie ER a kondenzátoru LIC.

Škálovatelná výkonová platforma pro zařízení IoT

Rozsah od ER10450 + LIC0813 po ER34615 + LIC1840 tvoří škálovatelnou platformu pro různé velikosti a výkonové požadavky produktů IoT.

Menší kombinace mohou podporovat kompaktní připojené senzory, kde je omezené místo pro instalaci.

Kombinace střední velikosti mohou sloužit inteligentním měřicím zařízením, sledování a obecnému bezdrátovému snímání.

Větší kombinace mohou podporovat vzdálená průmyslová zařízení, která vyžadují jak dlouhou životnost, tak silnější pulzní výkon.

Místo toho, aby se baterie považovala za samostatnou součást, vývojáři IoT mohou vyhodnotit celou architekturu napájení podle skutečného režimu provozu zařízení.

Závěr

Moderní zařízení IoT vyžadují více než jen baterii s velkou kapacitou.

Často vyžadují napájecí systém schopný efektivně dodávat velmi nízký proud po měsíce či roky a zároveň podporovat krátké období výrazně vyššího proudu během komunikace.

Kombinace baterie Li-SOCl₂ ER s lithiovým iontovým kondenzátorem představuje jednu praktickou možnost, jak splnit obě požadavky.

Baterie ER poskytuje dlouhodobou energii.

LIC poskytuje podporu pro pulzní výkon.

Od kompaktních kombinací, jako je ER10450 + LIC0813 až po systémy s vyšší energetickou kapacitou, jako je ER34615 + LIC1840 , správné řešení závisí na skutečném klidovém proudu zařízení, pulzním proudu, délce pulzu, frekvenci komunikace, teplotě a požadované životnosti.

Nejdůležitější otázkou při výběru baterie pro zařízení IoT je proto nejen:

„Která baterie má největší kapacitu?“

Lepší otázkou je:

„Která kombinace výkonu nejlépe odpovídá skutečnému provoznímu profilu zařízení?“

Cowon může podporovat přizpůsobené konfigurace baterií ER a LIC pro různé aplikace IoT, inteligentního měření, sledování a průmyslové aplikace na základě elektrických a mechanických požadavků zákazníka.