ER-batteri + LIC til IoT: Li-SOCl2-højimpulsstrøm-vejledning

ER-batteri + LIC til IoT: Valg af den rigtige Li-SOCl2-løsning med høj pulsstrøm

Da der installeres flere og flere IoT-enheder til intelligent måling, fjernovervågning, aktiveringssporing, miljøsensorik og industriautomatisering, er strømdesign blevet stadig vigtigere.

Mange IoT-enheder har én fælles karakteristik: De forbruger meget lidt strøm de fleste gange, men kræver periodisk en langt højere strøm, når trådløse moduler vågner og sender data.

Dette skaber en udfordring.

En batteri, der yder fremragende resultater ved lave, kontinuerlige belastninger, er ikke altid optimeret til korte, højstrøms-pulser. Omvendt kan valg af et batteri udelukkende efter høj pulsstrømskapacitet unødigt øge størrelse, omkostninger eller selvudladning.

En praktisk løsning er at kombinere et litium-thionylchlorid-batteri med en litium-ion-kondensator.

Ved Cowon inkluderer typiske kombinationer:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Disse kombinationer er designet til at afbalancere to vigtige krav for batteridrevne IoT-enheder:

langvarig energiforsyning og kortvarig høj impulsstyrke.

Hvorfor IoT-enheder har brug for både energi og effekt

En typisk trådløs IoT-enhed forbruger ikke strøm med en konstant hastighed.

Dens driftscyklus kan se således ud:

Sov → Vågn op → Mål → Send data → Returnér til søvn

Under søvntilstand kan strømforbruget være ekstremt lavt.

Når kommunikationsmodulet aktiveres, kan strømforbruget dog stige betydeligt i en kort periode.

Dette er almindeligt i enheder, der bruger kommunikationsteknologier såsom:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• - Hvad?

• LoRaWAN

• GPS

• RF-kommunikation

Dette betyder, at gennemsnitligt strømforbrug alene ikke er tilstrækkeligt til at vælge den rigtige batteri.

Ingeniører skal også overveje:

• topstrøm,

• pulsvarighed,

• pulsfrekvens,

• minimumsdriftsspænding,

• temperatur,

• forventet levetid,

• og tilgængeligt installationsrum.

En batteri kan indeholde tilstrækkelig total energi til at drive en enhed i mange år, men enheden kan stadig svigte, hvis spændingen falder under elektronikkens mindste driftsspænding under transmission.

Det er her, en ER-batteri + LIC-løsning bliver nyttig.

Hvad er et ER Li-SOCl2-batteri?

ER-batterier er primære litiumbatterier baseret på litium-thionylchlorid-kemi, almindeligvis angivet som Li-SOCl2.

De lever typisk en nominel spænding på 3,6 V og bruges bredt i industrielle og IoT-enheder på grund af flere vigtige egenskaber:

• høj energitæthed,

• lav selvudladning,

• lang opbevaringskapacitet,

• stabilt spænding under udledning med lav strøm,

• bred driftstemperaturkapacitet,

• og egnethed til langvarig ubemandet drift.

Almindelige ER-batteristørrelser omfatter:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 og ER34615.

Mindre celler er nyttige, når pladens (PCB) størrelse og produktets dimensioner er begrænsede, mens større celler som ER26500 og ER34615 leverer betydeligt mere energi til applikationer, der kræver længere levetid.

Energi kapacitet er dog kun en del af strømforsyningsdesignet.

Hvorfor tilføje en lithium-ion-kondensator?

En lithium-ion-kondensator (LIC) anvendes som en højtydende understøttelseskomponent.

I et korrekt designet hybride strømforsyningssystem leverer ER-batteriet den langvarige energi, som enheden kræver, mens LIC'en hjælper med at dække korte perioder med høj strømforbrug.

En simpel måde at forstå forholdet er:

ER-batteri = Langtidsenergi

LIC = Korttidsimpulskraft

Under normal standby-drift støtter ER-batteriet den lave baggrundstrøm.

Når enheden vågner og trådløse modulet begynder at overføre data, kan LIC hjælpe med at levere den ekstra impulstrøm, som belastningen kræver.

Efter overførselsbegivenheden vender systemet tilbage til sin lavstrømstilstand.

Denne arkitektur kan hjælpe med at forbedre spændingsstabiliteten under højstrømsbegivenheder og reducere den elektriske påvirkning, der direkte påvirker det primære batteri.

Hvorfor ikke kun bruge et Li-SOCl2-batteri?

Li-SOCl2-batterier er særligt attraktive til applikationer, der kræver lang driftstid, på grund af deres lav selvudladning og høj energitæthed.

Mange højkapacitets-ER-celler er dog primært optimeret til langvarig, lavstrømsudladning.

En anden karakteristik af Li-SOCl2-kemi er passivering.

Under opbevaring og ved lavstrømsdrift dannes der et beskyttende lag på litiumoverfladen. Dette lag bidrager til batteriets fremragende opbevaringsegenskaber og lave selvudladning.

Under visse driftsbetingelser – især efter længerevarende opbevaring – kan en pludselig stigning i belastningen dog medføre et midlertidigt spændningsfald.

For en simpel lav-effektkreds er dette måske ikke afgørende.

For en IoT-kommunikationsmodul er et midlertidigt spændningsfald imidlertid kritisk.

Hvis systemspændingen falder under den minimale driftsspænding for modemmet, MCU’en eller RF-kredsen, kan enheden genstarte, mislykke med at registrere sig på netværket eller miste en datatransmission.

Tilføjelse af en korrekt udvalgt LIC kan hjælpe med at levere den kortvarige strøm, der kræves under disse hændelser.

Seks ER + LIC-konfigurationer til forskellige IoT-krav

Forskellige IoT-produkter kræver forskellige kombinationer af energikapacitet, pulsstyrke og fysisk størrelse.

Cowon tilbyder flere ER + LIC-konfigurationer for at dække forskellige applikationskrav.

ER10450 + LIC0813

Denne kompakte kombination er velegnet til mini-IoT-produkter, hvor PCB-plads og batteristørrelse er vigtige overvejelser.

Typiske anvendelser inkluderer:

• kompakte trådløse sensorer,

• små overvågningsenheder,

• lav-duty-cycle-transmittere,

• små sporingsenheder,

• kompakt brugselktronik.

Den er især velegnet, når systemet kræver en lille primærbatteri, men stadig drager fordel af ekstra pulsstøtte.

ER14250 + LIC0820

ER14250 er en almindelig kompakt Li-SOCl2-størrelse, der anvendes i industrielle elektronik- og smart-sensing-produkter.

Når den kombineres med LIC0820, kan den levere en nyttig balance mellem kompakte dimensioner, lang standby-drift og periodisk trådløs kommunikation.

Mulige anvendelsesområder inkluderer:

• smarte sensorer,

• kompakte forbrugsstrømmålere,

• sikkerhedsenheder,

• fjernovervågningsnoder,

• lavtydskraftige RF-enheder.

ER14505 + LIC1020

ER14505 tilbyder større energikapacitet uden at ændre den velkendte AA-størrelse.

I kombination med LIC1020 kan denne konfiguration overvejes til IoT-produkter, der kræver en længere driftstid eller større kommunikationsbehov end mindre batterisystemer.

Typiske anvendelser inkluderer:

• smarte vandmålere,

• gasmålere,

• aktiveredsporingsenheder,

• LoRa- og LoRaWAN-noder,

• NB-IoT-følere,

• industrielle overvågningsystemer.

ER26500 + LIC1320

Når energikravene stiger, bliver ER26500 en attraktiv mulighed for industrielle IoT-systemer med lang levetid.

Den større batteri giver betydeligt mere tilgængelig energi end kompakte ER-celler, mens LIC1320 understøtter systemet under kommunikation eller andre højbelastningshændelser.

Mulige anvendelsesområder inkluderer:

• NB-IoT-overvågningsenheder,

• fjern-telemetrienheder,

• industrielle følere,

• smart-måleudstyr,

• landbrugs-IoT,

• miljøovervågning,

• infrastrukturmonitorering.

Denne type kombination er særligt nyttig for enheder, der forventes at blive ude i feltet i længere tid uden hyppig batteriskift.

ER34615 + LIC1620

ER34615 er en D-størrelse Li-SOCl2-batteri, der ofte vælges, når lang levetid og høj samlet energi er vigtige.

I kombination med LIC1620 kan det understøtte krævende IoT-applikationer, der kombinerer meget lav standbyforbrug med periodisk højstrømskommunikation.

Mulige anvendelsesområder inkluderer:

• langtidssmartmålere,

• fjernovervågningssystemer,

• industriel telemetri,

• GPS- og aktiveringssporing,

• rørledningsovervågning,

• udendørs IoT-udstyr,

• cellebaserede sensorer.

ER34615 + LIC1840

For applikationer med både høje energikrav og mere krævende pulstilbelastninger udgør ER34615 + LIC1840 en anden mulighed.

Den større LIC kan overvejes, når trådløs kommunikationssystem eller enhedsarkitektur kræver stærkere pulsstøtte.

Typiske anvendelser inkluderer:

• højtydende NB-IoT-enheder,

• LTE-M-kommunikationsterminaler,

• fjernovervågning af industrielle installationer,

• sporingsenheder,

• smarte infrastrukturinstallationer,

• forsyningsudstyr,

• udendørs forbundne systemer.

Den præcise kombination af ER-batteri og LIC skal altid vælges ud fra den reelle elektriske profil for enheden i stedet for udelukkende efter applikationsnavnet.

Sådan vælger du den rigtige ER + LIC-kombination

Der findes ingen enkelt batterikombination, der er ideel til alle IoT-applikationer.

En pålidelig strømforsyningsløsning starter med at forstå den faktiske belastningsprofil.

Før man vælger et ER-batteri og en LIC, bør ingeniører vurdere følgende parametre.

1. Standby-strøm

Hvor meget strøm forbruger enheden, mens den er i dvale?

Da IoT-enheder ofte bruger det meste af deres levetid i dvaletilstand, kan selv en lille ændring i dvalestrømmen have en betydelig indvirkning på den samlede batterilevetid.

2. Topstrøm

Hvad er den højeste strøm, der kræves, når modemmet, radioen, motoren, ventilen eller en anden belastning aktiveres?

Dette er en af de vigtigste parametre ved udvælgelse af LIC.

3. Pulslængde

En kort puls, der varer et par millisekunder, adskiller sig meget fra en belastning, der forbliver høj i flere sekunder.

Spidsstrømmen og pulslængden skal derfor overvejes sammen.

4. Transmissionsfrekvens

Hvor ofte kommunikerer enheden?

Én gang om dagen?

Én gang i timen?

Hver få minutter?

En enhed, der transmitter ofte, kan stille meget forskellige krav til batterisystemet sammenlignet med en enhed, der sender én kort pakke om dagen.

5. Minimum driftsspænding

Alle elektroniske systemer har en minimumsspænding, under hvilken pålidelig drift ikke kan garanteres.

Strømforsyningsløsningen skal opretholde tilstrækkelig spænding under den højeste belastning.

6. Driftstemperatur

Temperatur påvirker batteriets ydeevne, pulsadfærd, indre modstand og brugbare kapacitet.

Udendørs og industrielle IoT-enheder kan opleve meget forskellige forhold end indendørs elektronik.

7. Krævet levetid

En femårig konstruktion og en femtenårig konstruktion bør ikke automatisk bruge det samme batteri.

Forventet levetid skal vurderes i sammenhæng med standby-strøm, transmissionsfrekvens, selvudladning og miljøforhold.

8. Tilgængeligt installationsrum

Den ideelle elektriske løsning skal stadig kunne placeres inden i enheden.

Derfor er flere kombinationer fra ER10450 + LIC0813 til ER34615 + LIC1840 nyttige.

Øger en LIC batteriets Ah-kapacitet?

Dette er en vigtig forskel.

En LIC tilføjes normalt ikke primært for at øge den nominelle Ah-kapacitet af ER-batteriet.

Hovedformålet er at forbedre effektafgivelsen ved korte pulser.

ER-batteriet forbliver den primære energikilde til langvarig brug.

LIC’en fungerer som en effektpuffer under pulslasthændelser.

Når man derfor beregner den forventede levetid, bør ingeniører stadig vurdere den brugbare kapacitet af ER-batteriet sammen med hele enhedens driftscyklus.

ER-batteri + LIC versus højhastighedsbatteri

Der er flere måder at drive en IoT-enheds med høj puls.

Én mulighed er at bruge en batterikemi eller cellekonstruktion, der specifikt er designet til højere kontinuerlig og pulserende strøm.

En anden mulighed er at kombinere en Li-SOCl2-celle med høj energitæthed med en komponent til pulsunderstøttelse, såsom en LIC.

Det rigtige valg afhænger af anvendelsen.

En ER + LIC-arkitektur kan være særligt attraktiv, når systemet har brug for:

• meget lav selvudladning,

• lang standby-levetid,

• høj samlet energi,

• og kun periodiske højstrøms-pulser.

I stedet for at optimere hele batteriet til en kort kommunikationsbegivenhed adskiller systemet energikravet fra effektkravet.

Typiske anvendelser af ER + LIC-strømforsyningssystemer

Denne type hybride strømforsyningsarkitektur kan overvejes til mange batteridrevne, tilsluttede produkter, herunder:

Smart måling

• Smarte vandmålere

• Smarte gasmålere

• Smarte el-målere

• Varmemålere

Trådløse IoT-enheder

• NB-IoT-sensorer

• LTE-M-enheder

• LoRaWAN-noder

• RF-kommunikationsudstyr

Sporing

• GPS-sporere

• Aktivsporingsenheder

• Logistikovervågningsenheder

• Fjernbeliggede positionsbæcons

Industriel IoT

• Industrielle sensorer

• Fjernovervågningsudstyr

• Rørledningsmonitorering

• Infrastrukturmonitorering

• Sikkerheds- og alarmsystemer

Miljø- og landbrugsmonitorering

• Vejrsensorer

• Jordovervågningsudstyr

• Landbrugs-IoT-enheder

• Miljødataloggere

Hvorfor den komplette belastningsprofil er afgørende

At vælge den rigtige IoT-batteritype er ikke blot et spørgsmål om at vælge den størst mulige kapacitet.

For eksempel kan to enheder begge bruge NB-IoT-kommunikation, men have helt forskellige krav til strømforbrug.

Enheden A kan sende én kort besked hver 24. time.

Enheden B kan sende beskeder hver 15. minut og udføre hyppig netværksregistrering.

Selvom begge produkter bruger den samme kommunikationsteknologi, kan deres batterikrav være meget forskellige.

Af denne grund er de mest nyttige oplysninger at angive, når man anmoder om en strømløsning:

• normal driftsstrøm,

• dvalestrøm,

• maksimal pulsstrøm,

• pulsvarighed,

• kommunikationsfrekvens,

• minimumsdriftsspænding,

• miljøtemperaturområde,

• målservicelevetid,

• og tilgængelige batteristørrelser.

Med denne information kan en mere passende ER-batteri- og LIC-kombination vurderes.

En skalerbar strømplatform til IoT-enheder

Intervallet fra ER10450 + LIC0813 til ER34615 + LIC1840 skaber en skalerbar platform til forskellige IoT-produktstørrelser og strømkrav.

Mindre kombinationer kan understøtte kompakte forbundne sensorer, hvor monteringspladsen er begrænset.

Konfigurationer af mellemstørrelse kan bruges til intelligente målere, sporing og generel trådløs sensing.

Større kombinationer kan understøtte fjerne industrielle enheder, der kræver både lang levetid og stærkere pulsydelse.

I stedet for at behandle batteriet som en selvstændig komponent kan IoT-udviklere vurdere den komplette strømarchitektur i henhold til enhedens faktiske driftscyklus.

Konklusion

Moderne IoT-enheder kræver mere end blot et batteri med stor kapacitet.

De kræver ofte et strømsystem, der kan levere meget lav strøm effektivt i måneder eller år, mens det samtidig kan understøtte korte perioder med langt højere strøm under kommunikation.

At kombinere et Li-SOCl2-ER-batteri med en lithium-ion-kondensator udgør én praktisk løsning på begge krav.

ER-batteriet leverer langvarig energi.

LIC'en leverer pulssstrømstøtte.

Fra kompakte kombinationer såsom ER10450 + LIC0813 til systemer med højere energi såsom ER34615 + LIC1840 , afhænger den rigtige løsning af enhedens faktiske standby-strøm, pulsstrøm, pulsvarighed, kommunikationsfrekvens, temperatur og krævet levetid.

Ved valg af batteri til IoT-enheder er det vigtigste spørgsmål derfor ikke blot:

"Hvilket batteri har den største kapacitet?"

Et bedre spørgsmål er:

"Hvilken strømkombination passer bedst til enhedens reelle driftsprofil?"

Cowon kan støtte brugerdefinerede ER-batteri + LIC-konfigurationer til forskellige IoT-, smartmåler-, sporings- og industrielle applikationer baseret på kundens elektriske og mekaniske krav.