ER-Batterie + LIC für IoT: Li-SOCl2-Hochimpulsleistungs-Leitfaden

ER-Akku + LIC für IoT: Die richtige Li-SOCl2-Hochimpulsleistungs-Lösung wählen

Da immer mehr IoT-Geräte in intelligenten Zählern, der Fernüberwachung, dem Asset-Tracking, der Umgebungsüberwachung und der industriellen Automatisierung eingesetzt werden, gewinnt das Stromversorgungsdesign zunehmend an Bedeutung.

Viele IoT-Geräte weisen ein gemeinsames Merkmal auf: Sie verbrauchen die meiste Zeit nur sehr wenig Leistung, benötigen jedoch periodisch deutlich höhere Ströme, sobald das Funkmodul aktiviert wird und Daten überträgt.

Dies stellt eine Herausforderung dar.

Ein Akku, der unter niedrigen Dauerlasten hervorragend performt, ist möglicherweise nicht immer für kurze, hochstromstarke Impulse optimiert. Umgekehrt kann die alleinige Auswahl eines Akkus nach dessen Hochimpulsfähigkeit Größe, Kosten oder Selbstentladung unnötig erhöhen.

Eine praktikable Lösung besteht darin, einen Lithium-Thionylchlorid-Akku mit einem Lithium-Ionen-Kondensator zu kombinieren.

Bei Cowon umfassen typische Kombinationen:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Diese Kombinationen wurden entwickelt, um zwei wichtige Anforderungen an batteriebetriebene IoT-Geräte auszugleichen:

langfristige Energieversorgung und kurzzeitige Hochleistungs-Impulse.

Warum IoT-Geräte sowohl Energie als auch Leistung benötigen

Ein typisches drahtloses IoT-Gerät verbraucht keinen konstanten Strom.

Sein Betriebszyklus könnte folgendermaßen aussehen:

Ruhe → Aufwachen → Messen → Daten übertragen → Rückkehr in den Ruhezustand

Im Ruhezustand kann der Stromverbrauch extrem gering sein.

Wenn das Kommunikationsmodul aktiviert wird, kann der Strombedarf jedoch für einen kurzen Zeitraum deutlich ansteigen.

Dies tritt häufig bei Geräten auf, die Kommunikationstechnologien wie folgende verwenden:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LoRa

• LoRaWAN

• GPS

• RF-Kommunikation

Das bedeutet, dass der durchschnittliche Stromverbrauch allein nicht ausreicht, um die richtige Batterie auszuwählen.

Ingenieure müssen außerdem berücksichtigen:

• spitzenstrom,

• impulsdauer,

• impulsfrequenz,

• minimale Betriebsspannung,

• temperatur,

• erwartete Lebensdauer,

• und verfügbaren Einbauraum.

Eine Batterie kann genügend Gesamtenergie enthalten, um ein Gerät über viele Jahre zu betreiben; das Gerät kann dennoch ausfallen, wenn die Spannung während der Übertragung unter die minimale Betriebsspannung der Elektronik fällt.

Genau hier kommt eine ER-Batterie-plus-LIC-Lösung zum Einsatz.

Was ist eine ER-Li-SOCl2-Batterie?

ER-Batterien sind Primärlithiumbatterien auf Basis der Lithium-Thionylchlorid-Chemie, üblicherweise als Li-SOCl2 bezeichnet.

Sie liefern typischerweise eine Nennspannung von 3,6 V und werden aufgrund mehrerer wichtiger Eigenschaften häufig in Industrie- und IoT-Geräten eingesetzt:

• hohe Energiedichte,

• geringe Selbstentladung,

• lange Lagerfähigkeit,

• stabile Spannung bei Entladung mit niedriger Stromstärke,

• breite Betriebstemperatur-Bandbreite,

• sowie Eignung für langfristigen, unbeaufsichtigten Betrieb.

Gängige ER-Batteriegrößen umfassen:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 und ER34615.

Kleinere Zellen eignen sich, wenn Platz auf der Leiterplatte und die Produktabmessungen begrenzt sind; größere Zellen wie ER26500 und ER34615 liefern dagegen deutlich mehr Energie für Anwendungen mit längerer Einsatzdauer.

Die Energiespeicherkapazität ist jedoch nur ein Teil der Stromversorgungs-Systemauslegung.

Warum einen Lithium-Ionen-Kondensator hinzufügen?

Ein Lithium-Ionen-Kondensator (LIC) wird als Hochleistungs-Unterstützungskomponente eingesetzt.

In einem korrekt ausgelegten hybriden Stromversorgungssystem liefert die ER-Batterie die langfristige Energie, die das Gerät benötigt, während der LIC kurzzeitige Spitzenstromanforderungen unterstützt.

Eine einfache Möglichkeit, diese Beziehung zu verstehen, lautet:

ER-Akku = Langzeitenergie

LIC = Kurzzeit-Impulsleistung

Während des normalen Standby-Betriebs versorgt der ER-Akku den geringen Grundstrom.

Wenn das Gerät aufwacht und das Funkmodul mit der Übertragung beginnt, kann der LIC den zusätzlichen Impulsstrom liefern, den die Last benötigt.

Nach dem Übertragungsvorgang kehrt das System in seinen energiesparenden Zustand zurück.

Diese Architektur kann helfen, die Spannungsstabilität während hochstromiger Ereignisse zu verbessern und die elektrische Belastung des Primärakkus zu verringern.

Warum nicht nur einen Li-SOCl2-Akku verwenden?

Li-SOCl2-Akkus sind besonders attraktiv für Anwendungen mit langer Betriebsdauer aufgrund ihrer geringen Selbstentladung und hohen Energiedichte.

Viele Hochkapazitäts-ER-Zellen sind jedoch primär für langfristige, niederstromige Entladung optimiert.

Ein weiteres Merkmal der Li-SOCl2-Chemie ist die Passivierung.

Während der Lagerung und bei Betrieb mit geringem Strom bildet sich eine Schutzschicht auf der Lithiumoberfläche. Diese Schicht trägt zu den hervorragenden Lagerungseigenschaften und der geringen Selbstentladung der Batterie bei.

Unter bestimmten Betriebsbedingungen – insbesondere nach längerer Lagerung – kann jedoch ein plötzlicher Lastanstieg zu einem vorübergehenden Spannungseinbruch führen.

Für eine einfache Niedrigleistungsschaltung mag dies nicht von Bedeutung sein.

Für ein IoT-Kommunikationsmodul hingegen kann ein vorübergehender Spannungseinbruch kritisch sein.

Falls die Systemspannung unter die minimale Betriebsspannung des Modems, der MCU oder der HF-Schaltung fällt, kann das Gerät einen Reset durchführen, die Registrierung im Netzwerk misslingen oder eine Datensendung verlieren.

Der Einsatz einer geeignet dimensionierten LIC kann helfen, den kurzzeitigen Strombedarf während solcher Ereignisse bereitzustellen.

Sechs ER- plus LIC-Konfigurationen für unterschiedliche IoT-Anforderungen

Verschiedene IoT-Produkte erfordern unterschiedliche Kombinationen aus Energiespeicherkapazität, Impulsfähigkeit und physischer Größe.

Cowon bietet mehrere ER- und LIC-Konfigurationen an, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen abzudecken.

ER10450 + LIC0813

Diese kompakte Kombination eignet sich für Miniatur-IoT-Produkte, bei denen Platz auf der Leiterplatte und Batteriegröße wichtige Gesichtspunkte sind.

Typische Anwendungen umfassen:

• kompakte drahtlose Sensoren,

• kleine Überwachungsgeräte,

• sendegeräte mit geringer Einschaltdauer,

• kleine Ortungsgeräte,

• kompakte Nutzelektronik.

Sie ist besonders geeignet, wenn das System eine kleine Primärbatterie benötigt, aber dennoch von zusätzlicher Impulsunterstützung profitiert.

ER14250 + LIC0820

ER14250 ist ein gängiges kompaktes Li-SOCl2-Format, das in industrieller Elektronik und intelligenten Sensorsystemen verwendet wird.

In Kombination mit LIC0820 bietet sie eine sinnvolle Balance zwischen kompakten Abmessungen, langer Standby-Betriebsdauer und periodischer drahtloser Kommunikation.

Mögliche Anwendungen umfassen:

• intelligente Sensoren,

• kompakte Zähler,

• sicherheitsgeräte,

• fernüberwachungsknoten,

• rF-Geräte mit geringem Stromverbrauch.

ER14505 + LIC1020

ER14505 bietet eine höhere Energiespeicherkapazität bei Beibehaltung des vertrauten AA-Formats.

In Kombination mit LIC1020 kann diese Konfiguration für IoT-Produkte in Betracht gezogen werden, die eine längere Betriebsdauer oder einen höheren Kommunikationsbedarf als kleinere Batteriesysteme erfordern.

Typische Anwendungen umfassen:

• intelligente Wasserzähler,

• gaszähler,

• geräte zur Vermögensverfolgung,

• LoRa- und LoRaWAN-Knoten,

• NB-IoT-Sensoren,

• industrielle Überwachungssysteme.

ER26500 + LIC1320

Mit steigenden Energieanforderungen wird der ER26500 zu einer attraktiven Option für langlebige industrielle IoT-Systeme.

Die größere Batterie liefert deutlich mehr verfügbare Energie als kompakte ER-Zellen, während die LIC1320 das System während der Kommunikation oder anderer Lastspitzenereignisse unterstützt.

Mögliche Anwendungen umfassen:

• NB-IoT-Überwachungsgeräte,

• fern-Telemetrie-Einheiten,

• industriesensoren,

• smart-Metering-Ausrüstung,

• landwirtschaftliche IoT-Anwendungen,

• umweltüberwachung,

• infrastrukturüberwachung.

Diese Art der Kombination ist besonders nützlich für Geräte, die über längere Zeit im Feld verbleiben sollen, ohne dass häufig ein Batteriewechsel erforderlich ist.

ER34615 + LIC1620

ER34615 ist eine D-Größe-Li-SOCl2-Batterie, die üblicherweise gewählt wird, wenn eine lange Lebensdauer und eine hohe Gesamtenergie wichtig sind.

In Kombination mit LIC1620 kann sie anspruchsvolle IoT-Anwendungen unterstützen, die einen sehr niedrigen Standby-Stromverbrauch mit periodischer Hochstrom-Kommunikation kombinieren.

Mögliche Anwendungen umfassen:

• langzeit-Smart-Meter,

• fernüberwachungssysteme,

• industrielle Telemetrie,

• GPS- und Asset-Tracking,

• rohrleitungsüberwachung,

• außen-IoT-Ausrüstung,

• zellularverbundene Sensoren.

ER34615 + LIC1840

Für Anwendungen mit hohem Energiebedarf und anspruchsvolleren Impulsbelastungen bietet ER34615 + LIC1840 eine weitere Option.

Der größere LIC kann in Betracht gezogen werden, wenn das drahtlose Kommunikationssystem oder die Gerätearchitektur eine stärkere Impulsunterstützung erfordert.

Typische Anwendungen umfassen:

• hochleistungs-NB-IoT-Geräte,

• LTE-M-Kommunikationsterminals,

• fernüberwachung in der Industrie,

• verfolgungsgeräte,

• intelligente Infrastruktur,

• versorgungstechnik,

• außenstehende vernetzte Systeme.

Die genaue Kombination aus ER-Batterie und LIC sollte stets anhand des realen elektrischen Profils des Geräts und nicht allein anhand des Anwendungsnamens ausgewählt werden.

So wählen Sie die richtige ER- plus LIC-Kombination aus

Es gibt keine einzige Batteriekombination, die für jede IoT-Anwendung ideal ist.

Eine zuverlässige Stromversorgung beginnt mit dem Verständnis des tatsächlichen Lastprofils.

Bevor eine ER-Batterie und ein LIC ausgewählt werden, sollten Ingenieure die folgenden Parameter bewerten.

1. Ruhestrom

Wie viel Strom verbraucht das Gerät im Schlafmodus?

Da IoT-Geräte den größten Teil ihrer Einsatzdauer im Standby-Modus verbringen können, kann bereits eine geringfügige Änderung des Schlafstroms einen erheblichen Einfluss auf die gesamte Batterielebensdauer haben.

2. Spitzenstrom

Welcher höchste Strom ist erforderlich, wenn das Modem, das Funkgerät, der Motor, das Ventil oder eine andere Last aktiviert wird?

Dies ist einer der wichtigsten Parameter bei der Auswahl des LIC.

3. Impulsdauer

Ein kurzer Impuls mit einer Dauer von wenigen Millisekunden unterscheidet sich stark von einer Last, die mehrere Sekunden lang hoch bleibt.

Spitzenstrom und Impulsdauer müssen daher gemeinsam betrachtet werden.

4. Übertragungsfrequenz

Wie oft kommuniziert das Gerät?

Einmal pro Tag?

Einmal pro Stunde?

Alle paar Minuten?

Ein Gerät, das häufig sendet, stellt möglicherweise ganz andere Anforderungen an das Batteriesystem als ein Gerät, das einmal täglich ein kurzes Paket versendet.

5. Mindestbetriebsspannung

Jedes elektronische System weist eine Mindestspannung auf, unterhalb derer ein zuverlässiger Betrieb nicht gewährleistet ist.

Die Stromversorgungslösung muss während der höchsten Lastbedingung eine ausreichende Spannung aufrechterhalten.

6. Betriebstemperatur

Die Temperatur beeinflusst die Batterieleistung, das Impulsverhalten, den Innenwiderstand und die nutzbare Kapazität.

IoT-Geräte für den Außen- und Industriebereich können unter völlig anderen Bedingungen betrieben werden als Elektronik für den Innenbereich.

7. Erforderliche Lebensdauer

Ein fünfjähriges Design und ein fünfzehnjähriges Design sollten nicht automatisch dieselbe Batterie verwenden.

Die erwartete Lebensdauer ist gemeinsam mit dem Ruhestrom, der Übertragungsfrequenz, der Selbstentladung und den Umgebungsbedingungen zu bewerten.

8. Verfügbare Einbauraum

Die ideale elektrische Lösung muss dennoch in das Gerät passen.

Deshalb sind mehrere Kombinationen – von ER10450 + LIC0813 bis hin zu ER34615 + LIC1840 – sinnvoll.

Erhöht ein LIC die Ah-Kapazität der Batterie?

Dies ist eine wichtige Unterscheidung.

Ein LIC wird normalerweise nicht primär hinzugefügt, um die Nenn-Ah-Kapazität der ER-Batterie zu erhöhen.

Der Hauptzweck besteht darin, die Leistungsabgabe bei kurzen Lastspitzen zu verbessern.

Die ER-Batterie bleibt die primäre Energiequelle für langfristigen Betrieb.

Das LIC fungiert als Leistungspuffer während Impulsbelastungsereignissen.

Bei der Berechnung der erwarteten Betriebsdauer sollten Ingenieure daher weiterhin die nutzbare Kapazität der ER-Batterie gemeinsam mit dem gesamten Geräte-Betriebszyklus bewerten.

ER-Batterie + LIC versus Hochstrom-Batterie

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein IoT-Gerät mit hohen Stromstößen zu versorgen.

Eine Option besteht darin, eine Batteriechemie oder Zellkonstruktion zu verwenden, die speziell für höhere Dauer- und Impulsströme ausgelegt ist.

Eine weitere Option ist die Kombination einer energiereichen Li-SOCl2-Zelle mit einer Komponente zur Impulsunterstützung, beispielsweise einer LIC.

Die richtige Wahl hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Eine ER- plus LIC-Architektur kann besonders attraktiv sein, wenn das System folgende Anforderungen erfüllen muss:

• sehr geringe Selbstentladung,

• lange Standby-Lebensdauer,

• hohe Gesamtenergie,

• und nur gelegentliche Hochstromimpulse.

Statt die gesamte Batterie auf ein kurzes Kommunikationsereignis hin zu optimieren, trennt das System die Energieanforderung von der Leistungsanforderung.

Typische Anwendungen für ER + LIC-Stromversorgungssysteme

Diese Art hybrider Stromversorgungsarchitektur kann für viele batteriebetriebene vernetzte Produkte in Betracht gezogen werden, darunter:

Intelligente Messung

• Intelligente Wassermesser

• Intelligente Gaszähler

• Intelligente Stromzähler

• Wärmezähler

Drahtlose IoT-Geräte

• NB-IoT-Sensoren

• LTE-M-Geräte

• LoRaWAN-Knoten

• RF-Kommunikationsausrüstung

Tracking

• GPS-Tracker

• Asset-Tracking-Geräte

• Logistiküberwachungsgeräte

• Fernstandort-Leuchtfeuer

Industrielle IoT

• Industrielle Sensoren

• Fernüberwachungsausrüstung

• Leitungsüberwachung

• Infrastrukturüberwachung

• Sicherheits- und Alarmsysteme

Umwelt- und landwirtschaftliche Überwachung

• Wettersensoren

• Bodenüberwachungsgeräte

• Landwirtschaftliche IoT-Geräte

• Umweltdatenlogger

Warum das vollständige Lastprofil wichtig ist

Die Auswahl der richtigen IoT-Batterie ist nicht einfach eine Frage der größtmöglichen Kapazität.

Zwei Geräte verwenden beispielsweise beide die NB-IoT-Kommunikation, weisen jedoch völlig unterschiedliche Strombedarfe auf.

Gerät A sendet möglicherweise alle 24 Stunden eine kurze Nachricht.

Gerät B sendet möglicherweise alle 15 Minuten und führt häufige Netzwerkregistrierungen durch.

Selbst wenn beide Produkte dieselbe Kommunikationstechnologie nutzen, können ihre Batterieanforderungen stark voneinander abweichen.

Aus diesem Grund umfasst die nützlichste Angabe bei der Anfrage nach einer Stromversorgungslösung:

• den normalen Betriebsstrom,

• den Ruhestrom,

• den maximalen Impulsstrom,

• impulsdauer,

• kommunikationsfrequenz,

• minimale Betriebsspannung,

• umgebungstemperaturbereich,

• ziel-Lebensdauer,

• und verfügbare Batterieabmessungen.

Mit diesen Informationen kann eine besser geeignete ER-Batterie- und LIC-Kombination bewertet werden.

Eine skalierbare Stromversorgungsplattform für IoT-Geräte

Die Bandbreite von ER10450 + LIC0813 bis hin zu ER34615 + LIC1840 bildet eine skalierbare Plattform für unterschiedliche IoT-Produktgrößen und Leistungsanforderungen.

Kleinere Kombinationen eignen sich für kompakte vernetzte Sensoren, bei denen der Einbauraum begrenzt ist.

Konfigurationen im mittleren Leistungsbereich können intelligente Zähler, Ortungssysteme und allgemeine drahtlose Sensoren versorgen.

Größere Kombinationen können entfernt betriebene industrielle Geräte mit Anforderungen an lange Betriebsdauer sowie hohe Impulsleistung unterstützen.

Statt die Batterie als eigenständige Komponente zu betrachten, können IoT-Entwickler die gesamte Stromversorgungsarchitektur anhand des tatsächlichen Betriebszyklus des Geräts bewerten.

Fazit

Moderne IoT-Geräte erfordern mehr als lediglich eine Batterie mit großer Kapazität.

Sie benötigen häufig ein Stromversorgungssystem, das über Monate oder Jahre hinweg sehr geringe Ströme effizient liefern kann und dennoch kurze Phasen deutlich höherer Ströme während der Kommunikation unterstützt.

Die Kombination einer Li-SOCl2-ER-Batterie mit einem Lithium-Ionen-Kondensator stellt eine praktikable Möglichkeit dar, beide Anforderungen zu erfüllen.

Die ER-Batterie liefert langfristige Energie.

Der LIC bietet Impulsleistungsunterstützung.

Von kompakten Kombinationen wie ER10450 + LIC0813 bis hin zu energiereicheren Systemen wie ER34615 + LIC1840 , hängt die richtige Lösung vom tatsächlichen Standby-Strom, dem Impulsstrom, der Impulsdauer, der Kommunikationsfrequenz, der Temperatur und der geforderten Lebensdauer des Geräts ab.

Bei der Auswahl einer Batterie für IoT-Geräte lautet daher die wichtigste Frage nicht einfach:

„Welche Batterie hat die größte Kapazität?“

Eine bessere Frage lautet:

„Welche Leistungskombination passt am besten zum realen Betriebsprofil des Geräts?“

Cowon kann kundenspezifische ER-Batterie- und LIC-Konfigurationen für verschiedene IoT-, Smart-Metering-, Tracking- und Industrieanwendungen basierend auf den elektrischen und mechanischen Anforderungen des Kunden unterstützen.