Batería ER + LIC para IoT: Guía de baterías Li-SOCl2 de alta potencia por pulsos

Batería ER + LIC para IoT: Elegir la solución adecuada de alta potencia por pulsos con Li-SOCl2

A medida que se despliegan más dispositivos IoT en medición inteligente, supervisión remota, seguimiento de activos, detección ambiental y automatización industrial, el diseño de la alimentación eléctrica se ha vuelto cada vez más importante.

Muchos dispositivos IoT comparten una característica común: consumen muy poca energía la mayor parte del tiempo, pero periódicamente requieren una corriente mucho mayor cuando el módulo inalámbrico se activa y transmite datos.

Esto plantea un desafío.

Una batería que funciona excepcionalmente bien bajo cargas continuas bajas no siempre está optimizada para pulsos cortos de alta corriente. Por otro lado, seleccionar una batería únicamente por su capacidad de pulso alto puede aumentar innecesariamente su tamaño, costo o autodescarga.

Una solución práctica consiste en combinar una batería de litio-tionilcloruro con un condensador de iones de litio.

En Cowon, las combinaciones típicas incluyen:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Estas combinaciones están diseñadas para equilibrar dos requisitos importantes en equipos IoT alimentados por batería:

suministro energético a largo plazo y potencia de impulso elevada durante cortos períodos.

Por qué los dispositivos IoT necesitan tanto energía como potencia

Un dispositivo inalámbrico típico de IoT no consume corriente a una tasa constante.

Su ciclo operativo podría tener este aspecto:

Modo de reposo → Activación → Medición → Transmisión de datos → Regreso al modo de reposo

Durante el modo de reposo, el consumo de corriente puede ser extremadamente bajo.

Sin embargo, cuando se activa el módulo de comunicación, la demanda de corriente puede aumentar significativamente durante un breve periodo.

Esto es habitual en dispositivos que utilizan tecnologías de comunicación tales como:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• ¿ Qué pasa?

• LoRaWAN

• GPS

• Comunicación RF

Esto significa que el consumo medio de corriente por sí solo no es suficiente para seleccionar la batería adecuada.

Los ingenieros también deben tener en cuenta:

• la corriente máxima,

• la duración del impulso,

• la frecuencia de los impulsos,

• el voltaje mínimo de funcionamiento,

• temperatura,

• la vida útil esperada,

• y el espacio de instalación disponible.

Una batería puede contener suficiente energía total para operar un dispositivo durante muchos años, pero el dispositivo aún puede fallar si el voltaje desciende por debajo del voltaje mínimo de funcionamiento de la electrónica durante la transmisión.

Ahí es donde una solución con batería ER más condensador LIC resulta útil.

¿Qué es una batería primaria ER de litio-tionilcloruro?

Las baterías ER son baterías primarias de litio basadas en la química litio-tionilcloruro, comúnmente escrita como Li-SOCl2.

Normalmente proporcionan un voltaje nominal de 3,6 V y se utilizan ampliamente en equipos industriales y de Internet de las Cosas (IoT) debido a varias características importantes:

• alta densidad energética,

• baja autodescarga,

• larga capacidad de almacenamiento,

• voltaje estable durante la descarga a baja tasa,

• amplia capacidad de funcionamiento en temperaturas extremas,

• y aptitud para operación ininterrumpida a largo plazo sin supervisión.

Los tamaños más comunes de baterías ER incluyen:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 y ER34615.

Las celdas más pequeñas resultan útiles cuando el espacio disponible en la placa de circuito impreso (PCB) y las dimensiones del producto están limitadas, mientras que las celdas más grandes, como la ER26500 y la ER34615, ofrecen significativamente mayor energía para aplicaciones que requieren una vida útil más prolongada.

No obstante, la capacidad energética constituye solo una parte del diseño del sistema de alimentación.

¿Por qué incorporar un condensador de iones de litio?

Un condensador de iones de litio (LIC, por sus siglas en inglés) se emplea como componente auxiliar de alta potencia.

En un sistema híbrido de alimentación correctamente diseñado, la batería ER suministra la energía a largo plazo necesaria para el dispositivo, mientras que el LIC contribuye a soportar breves periodos de demanda elevada de corriente.

Una forma sencilla de comprender esta relación es:

Batería ER = Energía a largo plazo

LIC = Potencia de impulso a corto plazo

Durante el funcionamiento normal en espera, la batería ER suministra la baja corriente de fondo.

Cuando el dispositivo se despierta y el módulo inalámbrico comienza a transmitir, la LIC puede ayudar a proporcionar la corriente de impulso adicional requerida por la carga.

Tras el evento de transmisión, el sistema vuelve a su estado de bajo consumo.

Esta arquitectura puede contribuir a mejorar la estabilidad del voltaje durante eventos de alta corriente y reducir la tensión eléctrica aplicada directamente sobre la batería principal.

¿Por qué no utilizar únicamente una batería Li-SOCl2?

Las baterías Li-SOCl2 resultan especialmente atractivas para aplicaciones que requieren una larga vida útil debido a su baja autodescarga y alta densidad energética.

No obstante, muchas celdas ER de alta capacidad están optimizadas principalmente para descargas prolongadas a baja corriente.

Otra característica de la química Li-SOCl2 es la pasivación.

Durante el almacenamiento y la operación con baja corriente, se forma una capa protectora sobre la superficie de litio. Esta capa contribuye a las excelentes características de almacenamiento y a la baja autodescarga de la batería.

Sin embargo, bajo ciertas condiciones de funcionamiento, especialmente tras un almacenamiento prolongado, un aumento repentino de la carga puede provocar una caída temporal de tensión.

Para un circuito simple de baja potencia, esto puede no ser importante.

No obstante, para un módulo de comunicación IoT, una caída temporal de tensión puede ser crítica.

Si la tensión del sistema desciende por debajo de la tensión mínima de funcionamiento del módem, la MCU o el circuito RF, el dispositivo podría reiniciarse, no lograr registrarse en la red o perder una transmisión de datos.

La incorporación de un LIC adecuadamente seleccionado puede ayudar a suministrar la corriente de corta duración necesaria durante estos eventos.

Seis configuraciones ER + LIC para distintos requisitos IoT

Distintos productos IoT requieren combinaciones diferentes de capacidad energética, capacidad de impulso y tamaño físico.

Cowon ofrece múltiples configuraciones ER + LIC para cubrir distintos requisitos de aplicación.

ER10450 + LIC0813

Esta combinación compacta es adecuada para productos IoT en miniatura, donde el espacio disponible en la placa de circuito impreso (PCB) y el tamaño de la batería son consideraciones importantes.

Las aplicaciones típicas pueden incluir:

• sensores inalámbricos compactos,

• dispositivos pequeños de monitorización,

• transmisores de bajo ciclo de trabajo,

• dispositivos pequeños de seguimiento,

• electrónica compacta para aplicaciones prácticas.

Es especialmente adecuada cuando el sistema requiere una batería primaria pequeña, pero aun así se beneficia de un soporte adicional para pulsos.

ER14250 + LIC0820

ER14250 es un tamaño común y compacto de batería Li-SOCl₂ utilizado en electrónica industrial y productos inteligentes de detección.

Al combinarse con LIC0820, permite lograr un equilibrio útil entre dimensiones compactas, larga operación en modo de espera y comunicación inalámbrica periódica.

Las aplicaciones potenciales incluyen:

• sensores inteligentes,

• medidores de utilidad compactos,

• dispositivos de seguridad,

• nodos de monitorización remota,

• dispositivos RF de baja potencia.

ER14505 + LIC1020

El ER14505 ofrece una mayor capacidad energética manteniendo al mismo tiempo un formato familiar del tamaño AA.

Combinado con el LIC1020, esta configuración puede considerarse para productos IoT que requieren un período operativo más prolongado o una demanda de comunicación mayor que la de sistemas de baterías más pequeños.

Las aplicaciones típicas pueden incluir:

• medidores inteligentes de agua,

• medidores de gas,

• dispositivos de seguimiento de activos,

• Nodos LoRa y LoRaWAN,

• Sensores NB-IoT,

• sistemas de supervisión industrial.

ER26500 + LIC1320

A medida que aumentan los requisitos energéticos, la batería ER26500 se convierte en una opción atractiva para sistemas industriales IoT de larga duración.

La batería de mayor tamaño proporciona considerablemente más energía disponible que las pilas ER compactas, mientras que la LIC1320 respalda al sistema durante las comunicaciones u otros eventos de carga máxima.

Las aplicaciones potenciales incluyen:

• Dispositivos de supervisión NB-IoT,

• unidades de telemetría remota,

• sensores industriales,

• equipos de medición inteligente,

• ioT agrícola,

• supervisión medioambiental,

• supervisión de infraestructuras.

Este tipo de combinación resulta especialmente útil para dispositivos que se prevé que permanecerán en el campo durante largos períodos sin necesidad frecuente de reemplazar la batería.

ER34615 + LIC1620

La ER34615 es una batería Li-SOCl2 de tamaño D, comúnmente seleccionada cuando son importantes una larga vida útil y una alta energía total.

Acoplada con la LIC1620, puede soportar aplicaciones exigentes de IoT que combinan un consumo en espera muy bajo con comunicaciones periódicas de alta corriente.

Las aplicaciones potenciales incluyen:

• contadores inteligentes de larga duración,

• sistemas de supervisión remota,

• telemetría industrial,

• GPS y seguimiento de activos,

• supervisión de tuberías,

• equipamiento IoT exterior,

• sensores con conexión celular.

ER34615 + LIC1840

Para aplicaciones con altos requisitos energéticos y cargas de impulso más exigentes, la combinación ER34615 + LIC1840 ofrece otra opción.

Se puede considerar una LIC de mayor tamaño cuando el sistema de comunicación inalámbrica o la arquitectura del dispositivo requiere un soporte más robusto para impulsos.

Las aplicaciones típicas pueden incluir:

• dispositivos NB-IoT de alta potencia,

• Terminales de comunicación LTE-M,

• supervisión industrial remota,

• dispositivos de seguimiento,

• infraestructura inteligente,

• equipamiento para servicios públicos,

• sistemas conectados al aire libre.

La combinación exacta de batería y condensador de doble capa (LIC) siempre debe seleccionarse según el perfil eléctrico real del dispositivo, y no únicamente según el nombre de la aplicación.

Cómo seleccionar la combinación adecuada de batería ER + LIC

No existe una única combinación de batería ideal para todas las aplicaciones IoT.

Una solución de alimentación fiable comienza con la comprensión del perfil de carga real.

Antes de seleccionar una batería ER y un LIC, los ingenieros deben evaluar los siguientes parámetros.

1. Corriente de espera

¿Cuánta corriente consume el dispositivo en modo de reposo?

Dado que los dispositivos IoT pueden pasar la mayor parte de su vida útil en modo de espera, incluso un pequeño cambio en la corriente de reposo puede tener un efecto significativo en la duración total de la batería.

2. Corriente máxima

¿Cuál es la corriente máxima requerida cuando se activa el módem, la radio, el motor, la válvula u otra carga?

Este es uno de los parámetros más importantes al seleccionar la LIC.

3. Duración del pulso

Un pulso breve que dura unos pocos milisegundos es muy distinto de una carga que permanece alta durante varios segundos.

Por lo tanto, la corriente máxima y la duración del pulso deben considerarse conjuntamente.

4. Frecuencia de transmisión

¿Con qué frecuencia comunica el dispositivo?

¿Una vez al día?

¿Una vez por hora?

¿Cada pocos minutos?

Un dispositivo que transmite con frecuencia puede exigir al sistema de batería demandas muy distintas en comparación con un dispositivo que envía un solo paquete corto por día.

5. Voltaje mínimo de funcionamiento

Todo sistema electrónico tiene un voltaje mínimo por debajo del cual no se puede garantizar un funcionamiento fiable.

La solución de alimentación debe mantener un voltaje suficiente durante la condición de carga más alta.

6. Temperatura de funcionamiento

La temperatura afecta el rendimiento de la batería, su comportamiento ante pulsos, su resistencia interna y su capacidad utilizable.

Los dispositivos IoT para exteriores e industriales pueden experimentar condiciones muy distintas a las de los dispositivos electrónicos para interiores.

7. Vida útil requerida

Un diseño para cinco años y otro para quince años no deben usar automáticamente la misma batería.

La vida útil esperada debe evaluarse junto con la corriente de espera, la frecuencia de transmisión, la autodescarga y las condiciones ambientales.

8. Espacio disponible para la instalación

La solución eléctrica ideal debe seguir cabiendo dentro del dispositivo.

Por eso son útiles múltiples combinaciones, desde ER10450 + LIC0813 hasta ER34615 + LIC1840.

¿Aumenta un LIC la capacidad en Ah de la batería?

Esta es una distinción importante.

Normalmente, un LIC no se añade principalmente para aumentar la capacidad nominal en Ah de la batería ER.

Su finalidad principal es mejorar la entrega de potencia durante periodos breves.

La batería ER sigue siendo la fuente de energía primaria a largo plazo.

El LIC actúa como un acumulador de potencia durante eventos de carga pulsada.

Por lo tanto, al calcular la vida útil prevista, los ingenieros deben seguir evaluando la capacidad utilizable de la batería ER junto con el ciclo de trabajo completo del dispositivo.

Batería ER + LIC frente a batería de alta tasa

Existen varias formas de alimentar un dispositivo IoT de alta pulsación.

Una opción consiste en utilizar una química de batería o una construcción de celda específicamente diseñada para corrientes continuas y de pulsación más elevadas.

Otra opción es combinar una celda Li-SOCl2 de alta energía con un componente de soporte de pulsos, como un LIC.

La elección correcta depende de la aplicación.

Una arquitectura ER + LIC puede resultar especialmente atractiva cuando el sistema requiere:

• autodescarga muy baja,

• larga vida en modo de espera,

• alta energía total,

• y únicamente pulsos periódicos de alta corriente.

En lugar de optimizar toda la batería en torno a un breve evento de comunicación, el sistema separa el requisito energético del requisito de potencia.

Aplicaciones típicas de los sistemas de energía ER + LIC

Este tipo de arquitectura híbrida de energía puede considerarse para muchos productos conectados alimentados por batería, incluidos:

Medición Inteligente

• Medidores inteligentes de agua

• Contadores inteligentes de gas

• Medidores Eléctricos Inteligentes

• Contadores de calor

Internet de las cosas inalámbrico

• Sensores NB-IoT

• Dispositivos LTE-M

• Nodos LoRaWAN

• Equipos de comunicación por radiofrecuencia

Seguimiento

• Los rastreadores GPS

• Dispositivos de seguimiento de activos

• Dispositivos de supervisión logística

• Balizas de localización remota

Internet de las Cosas Industrial

• Sensores industriales

• Equipos de supervisión remota

• Monitoreo de Tuberías

• Supervisión de infraestructuras

• Sistemas de seguridad y alarma

Supervisión ambiental y agrícola

• Sensores meteorológicos

• Equipos de supervisión del suelo

• Dispositivos IoT agrícolas

• Registradores de datos ambientales

Por qué es importante el perfil completo de carga

Elegir la batería IoT adecuada no consiste simplemente en seleccionar la capacidad más grande posible.

Por ejemplo, dos dispositivos pueden utilizar ambos comunicación NB-IoT, pero tener requisitos de potencia completamente distintos.

El dispositivo A puede transmitir un breve mensaje cada 24 horas.

El dispositivo B puede transmitir cada 15 minutos y realizar frecuentes registros en la red.

Incluso si ambos productos utilizan la misma tecnología de comunicación, sus requisitos de batería pueden ser muy diferentes.

Por esta razón, la información más útil que debe facilitarse al solicitar una solución de alimentación incluye:

• corriente de funcionamiento normal,

• corriente en modo reposo,

• corriente máxima de impulso,

• la duración del impulso,

• frecuencia de comunicación,

• el voltaje mínimo de funcionamiento,

• rango de temperatura ambiental,

• vida útil prevista,

• y dimensiones disponibles de la batería.

Con esta información, se puede evaluar una combinación más adecuada de batería ER y condensador LIC.

Una plataforma de potencia escalable para dispositivos IoT

La gama que va desde ER10450 + LIC0813 hasta ER34615 + LIC1840 crea una plataforma escalable para distintos tamaños de productos IoT y requisitos de potencia.

Las combinaciones más pequeñas pueden soportar sensores conectados compactos donde el espacio de instalación es limitado.

Las configuraciones de gama media pueden servir para medición inteligente, seguimiento y detección inalámbrica general.

Las combinaciones más grandes pueden soportar dispositivos industriales remotos que requieren tanto una larga vida operativa como un mejor rendimiento en pulsos.

En lugar de tratar la batería como un componente independiente, los desarrolladores de IoT pueden evaluar toda la arquitectura de alimentación según el ciclo de trabajo real del dispositivo.

Conclusión

Los dispositivos modernos de IoT requieren más que simplemente una batería con gran capacidad.

Con frecuencia necesitan un sistema de alimentación capaz de suministrar corriente muy baja de forma eficiente durante meses o años, y al mismo tiempo soportar breves periodos de corriente mucho más alta durante las comunicaciones.

Combinar una batería ER de Li-SOCl₂ con un condensador de iones de litio (LIC) constituye una solución práctica para satisfacer ambos requisitos.

La batería ER proporciona energía a largo plazo.

El LIC ofrece soporte para potencia en pulsos.

Desde combinaciones compactas como ER10450 + LIC0813 hasta sistemas de mayor energía como ER34615 + LIC1840 , la solución adecuada depende de la corriente de espera real del dispositivo, la corriente de pulso, la duración del pulso, la frecuencia de comunicación, la temperatura y la vida útil requerida.

Por tanto, la pregunta más importante al seleccionar una batería para IoT no es simplemente:

¿Qué batería tiene la mayor capacidad?

Una pregunta más adecuada es:

¿Qué combinación de potencia coincide mejor con el perfil real de funcionamiento del dispositivo?

Cowon puede ofrecer configuraciones personalizadas de baterías ER y LIC para distintas aplicaciones en el ámbito IoT, medición inteligente, seguimiento y aplicaciones industriales, según los requisitos eléctricos y mecánicos del cliente.