باتری اِر و ئی‌ال‌آی‌سی برای اینترنت اشیا: راهنمای باتری لیتیوم-سولفوریل کلرید با توان پالس بالا

باتری ER و خازن لیتیوم-یون برای اینترنت اشیا: انتخاب راه‌حل مناسب با توان پالسی بالا مبتنی بر لیتیوم-سولفوریل کلرید

با افزایش نصب دستگاه‌های اینترنت اشیا در حوزه‌های شمارش هوشمند، نظارت از راه دور، ردیابی دارایی‌ها، سنجش محیطی و اتوماسیون صنعتی، طراحی تغذیه الکتریکی اهمیت فزاینده‌ای یافته است.

بسیاری از دستگاه‌های اینترنت اشیا ویژگی مشترکی دارند: بیشتر اوقات مصرف انرژی بسیار کمی دارند، اما به‌صورت دوره‌ای جریان بالاتری را هنگام بیدار شدن ماژول بی‌سیم و ارسال داده‌ها نیازمند می‌شوند.

این امر چالشی ایجاد می‌کند.

باتری‌ای که در بارهای پیوسته کم عملکرد بسیار عالی دارد، لزوماً برای پالس‌های کوتاه و جریان بالا بهینه نیست. از سوی دیگر، انتخاب باتری تنها بر اساس قابلیت پالسی بالا ممکن است بدون ضرورت، ابعاد، هزینه یا خودتفکیک‌شدگی را افزایش دهد.

یک راه‌حل عملی، ترکیب باتری لیتیوم-سولفوریل کلرید با خازن لیتیوم-یون است.

در کُوون، ترکیب‌های رایج عبارتند از:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

این ترکیب‌ها برای تعادل بین دو نیاز مهم در تجهیزات اینترنت اشیا با منبع تغذیه باتری طراحی شده‌اند:

تامین انرژی بلندمدت و توان پالسی بالا در مدت زمان کوتاه.

چرا دستگاه‌های اینترنت اشیا به هم‌زمان به انرژی و توان نیاز دارند

مصرف جریان در یک دستگاه بی‌سیم اینترنت اشیا معمولاً ثابت نیست.

چرخه عملیاتی آن ممکن است به این صورت باشد:

خواب → بیدار شدن → اندازه‌گیری → ارسال داده → بازگشت به حالت خواب

در حالت خواب، مصرف جریان ممکن است بسیار پایین باشد.

با این حال، هنگامی که ماژول ارتباطی فعال می‌شود، مصرف جریان برای مدت کوتاهی به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

این پدیده در دستگاه‌هایی که از فناوری‌های ارتباطی مانند موارد زیر استفاده می‌کنند، رایج است:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• لورا

• LoRaWAN

• جی‌پی‌اس

• ارتباط رادیویی

این بدان معناست که صرفاً میانگین مصرف جریان برای انتخاب باتری مناسب کافی نیست.

مهندسان باید عوامل زیر را نیز در نظر بگیرند:

• جریان اوج،

• مدت زمان پالس،

• فرکانس پالس،

• حداقل ولتاژ کاری،

• دما،

• طول عمر مورد انتظار،

• و فضای نصب در دسترس.

باتری ممکن است انرژی کلی کافی برای کارکرد دستگاه به مدت سال‌ها داشته باشد، اما همچنان ممکن است دستگاه در صورت کاهش ولتاژ زیر حداقل ولتاژ کاری الکترونیک‌ها در حین انتقال، از کار بیفتد.

در اینجا راه‌حل باتری ER به‌همراه LIC مفید می‌شود.

باتری لیتیوم-سولفوریل کلرید (Li-SOCl₂) نوع ER چیست؟

باتری‌های ER باتری‌های لیتیوم اولیه مبتنی بر شیمی لیتیوم-سولفوریل کلرید هستند که معمولاً به‌صورت Li-SOCl₂ نوشته می‌شوند.

این باتری‌ها معمولاً ولتاژ اسمی ۳٫۶ ولت ارائه می‌دهند و به‌دلیل چند ویژگی مهم، به‌طور گسترده در تجهیزات صنعتی و اینترنت اشیا (IoT) استفاده می‌شوند:

• چگالی انرژی بالا،

• خودتفريقي پايين،

• توانایی ذخیره‌سازی طولانی‌مدت،

• ثبات ولتاژ در حین تخلیه با نرخ پایین،

• توانایی کار در دامنهٔ وسیعی از دماها،

• و مناسب بودن برای عملکرد طولانی‌مدت بدون نیاز به نظارت.

اندازه‌های رایج باتری‌های ER عبارتند از:

ER10450، ER14250، ER14505، ER26500 و ER34615.

سلول‌های کوچک‌تر زمانی مفیدند که فضای موجود روی برد مدار چاپی (PCB) و ابعاد محصول محدود باشند، درحالی‌که سلول‌های بزرگ‌تر مانند ER26500 و ER34615 انرژی قابل‌توجهی را برای کاربردهایی که عمر خدمت طولانی‌تری نیاز دارند، فراهم می‌کنند.

با این حال، ظرفیت انرژی تنها بخشی از طراحی سیستم تغذیه است.

چرا یک خازن لیتیوم-یونی اضافه شود؟

خازن لیتیوم-یونی (LIC) به‌عنوان مؤلفه‌ای پشتیبان با توان بالا استفاده می‌شود.

در یک سیستم ترکیبی تغذیهٔ به‌درستی طراحی‌شده، باتری ER انرژی بلندمدت مورد نیاز دستگاه را تأمین می‌کند، درحالی‌که LIC به پشتیبانی از دوره‌های کوتاه‌مدت تقاضای جریان بالا کمک می‌کند.

روشی ساده برای درک این رابطه این است:

باتری ER = انرژی بلندمدت

LIC = توان پالس کوتاه‌مدت

در حالت عادی انتظار، باتری ER جریان پس‌زمینهٔ پایین را تأمین می‌کند.

هنگامی که دستگاه فعال می‌شود و ماژول بی‌سیم شروع به ارسال می‌کند، LIC می‌تواند جریان پالس اضافی مورد نیاز بار را فراهم کند.

پس از رویداد ارسال، سیستم به حالت کم‌مصرف خود بازمی‌گردد.

این معماری می‌تواند به بهبود پایداری ولتاژ در رویدادهای جریان بالا کمک کند و تنش الکتریکی واردشده بر باتری اصلی را کاهش دهد.

چرا فقط از باتری Li-SOCl2 استفاده نشود؟

باتری‌های Li-SOCl2 به‌دلیل خودتفکیک‌شدگی پایین و چگالی انرژی بالا، برای کاربردهایی که عمر عملیاتی طولانی می‌طلبد، بسیار جذاب هستند.

با این حال، بسیاری از سلول‌های ER با ظرفیت بالا عمدتاً برای تخلیهٔ بلندمدت و جریان پایین بهینه‌سازی شده‌اند.

ویژگی دیگر شیمی Li-SOCl2، پاسیواسیون است.

در طول ذخیره‌سازی و کارکرد با جریان پایین، لایه‌ای محافظ بر سطح لیتیوم تشکیل می‌شود. این لایه به ویژگی‌های عالی ذخیره‌سازی و خودраз discharge پایین باتری کمک می‌کند.

با این حال، در برخی شرایط کارکرد — به‌ویژه پس از ذخیره‌سازی طولانی‌مدت — افزایش ناگهانی بار می‌تواند باعث افت موقت ولتاژ شود.

برای یک مدار ساده با توان پایین، این امر ممکن است اهمیتی نداشته باشد.

اما برای ماژول ارتباطی اینترنت اشیا (IoT)، افت موقت ولتاژ می‌تواند حیاتی باشد.

اگر ولتاژ سیستم از حداقل ولتاژ کاری مودم، میکروکنترلر واحد (MCU) یا مدار رادیوفرکانس (RF) پایین‌تر برود، دستگاه ممکن است ریست شود، نتواند در شبکه ثبت‌نام کند یا انتقال داده را از دست بدهد.

افزودن یک LIC مناسب انتخاب‌شده می‌تواند در این رویدادها جریان مورد نیاز را برای مدت کوتاهی فراهم کند.

شش پیکربندی ترکیبی ER + LIC برای نیازهای مختلف اینترنت اشیا

محصولات مختلف اینترنت اشیا به ترکیب‌های متفاوتی از ظرفیت انرژی، توان پالسی و ابعاد فیزیکی نیاز دارند.

کُوون ترکیب‌های مختلفی از باتری‌های ER و LIC را برای پوشش نیازهای کاربردی متفاوت ارائه می‌دهد.

ER10450 + LIC0813

این ترکیب فشرده برای محصولات اینترنت اشیا (IoT) در ابعاد بسیار کوچک مناسب است که در آن‌ها فضای مدار چاپی (PCB) و اندازه باتری از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.

کاربردهای معمول ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• سنسورهای بی‌سیم فشرده،

• دستگاه‌های کوچک نظارتی،

• فرستنده‌های با چرخه کار پایین،

• دستگاه‌های کوچک ردیابی،

• الکترونیک‌های کاربردی فشرده.

این ترکیب به‌ویژه زمانی مناسب است که سیستم نیازمند یک باتری اولیه کوچک باشد، اما همچنان از پشتیبانی اضافی برای پالس‌ها بهره‌مند شود.

ER14250 + LIC0820

ER14250 یک اندازه رایج و فشرده از باتری‌های لیتیوم-سولفوریل کلرید (Li-SOCl₂) است که در الکترونیک صنعتی و محصولات حسگر هوشمند به‌کار می‌رود.

هنگامی که با LIC0820 ترکیب می‌شود، تعادل مفیدی بین ابعاد فشرده، عملکرد طولانی‌مدت در حالت آماده‌به‌کار و ارتباط بی‌سیم دوره‌ای فراهم می‌کند.

کاربردهای احتمالی شامل:

• حسگرهای هوشمند،

• کنتورهای کاربردی فشرده،

• وسایل امنیتی،

• گره‌های نظارت از راه دور،

• وسایل رادیویی کم‌مصرف.

ER14505 + LIC1020

باتری ER14505 ظرفیت انرژی بالاتری ارائه می‌دهد در حالی که فرمت آشنا به اندازهٔ AA را حفظ می‌کند.

با ترکیب با LIC1020، این پیکربندی برای محصولات اینترنت اشیا که نیازمند دورهٔ کارکرد طولانی‌تر یا تقاضای ارتباطی بیشتری نسبت به سیستم‌های باتری کوچک‌تر هستند، قابل بررسی است.

کاربردهای معمول ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• کنتورهای هوشمند آب،

• کنتورهای گاز،

• وسایل ردیابی دارایی‌ها،

• گره‌های لورا و لوراوان،

• سنسورهای ان‌بی-آی‌او‌تی،

• سیستم‌های نظارت صنعتی.

ER26500 + LIC1320

با افزایش نیازهای انرژی، باتری اِر۲۶۵۰۰ گزینه‌ای جذاب برای سیستم‌های اینترنت اشیا صنعتی با عمر طولانی می‌شود.

باتری بزرگ‌تر انرژی قابل‌استفاده بسیار بیشتری نسبت به سلول‌های اِر فشرده فراهم می‌کند، در حالی که باتری لیک۱۳۲۰ در زمان ارتباط یا سایر رویدادهای بار اوج سیستم را پشتیبانی می‌کند.

کاربردهای احتمالی شامل:

• دستگاه‌های نظارتی ان‌بی-آی‌او‌تی،

• واحدهای تله‌متری دور،

• سنسورهای صنعتی،

• تجهیزات کنتور هوشمند،

• اینترنت اشیا کشاورزی،

• پایش محیطی،

• پایش زیرساخت‌ها.

این نوع ترکیب به‌ویژه برای دستگاه‌هایی که انتظار می‌رود برای دوره‌های طولانی در محل نصب بمانند و نیازی به تعویض مکرر باتری نداشته باشند، مفید است.

ER34615 + LIC1620

ER34615 باتری لیتیوم-سولفوریل کلراید اندازهٔ D است که معمولاً هنگامی انتخاب می‌شود که عمر طولانی و انرژی کل بالا اهمیت داشته باشند.

در ترکیب با LIC1620، می‌تواند کاربردهای اینترنت اشیا پرتلاش را پشتیبانی کند که مصرف بسیار پایین در حالت آماده‌به‌کار را با ارتباطات دوره‌ای با جریان بالا ترکیب می‌کنند.

کاربردهای احتمالی شامل:

• کنتورهای هوشمند با عمر طولانی،

• سیستم‌های پایش از راه دور،

• تله‌متری صنعتی،

• ردیابی GPS و دارایی‌ها،

• پایش خطوط لوله،

• تجهیزات اینترنت اشیا برای فضای باز،

• سنسورهای متصل به شبکه سلولی.

ER34615 + LIC1840

برای کاربردهایی که هم نیازمند انرژی بالا و هم بارهای پالسی سنگین‌تر هستند، ترکیب ER34615 + LIC1840 گزینه‌ای دیگر را فراهم می‌کند.

استفاده از LIC بزرگ‌تر زمانی قابل در نظر گرفتن است که سیستم ارتباطی بی‌سیم یا معماری دستگاه، پشتیبانی قوی‌تری از بارهای پالسی نیاز داشته باشد.

کاربردهای معمول ممکن است شامل موارد زیر باشد:

• دستگاه‌های NB-IoT با توان بالا،

• ترمینال‌های ارتباطی LTE-M،

• پایش صنعتی از راه دور،

• دستگاه‌های ردیابی،

• زیرساخت هوشمند،

• تجهیزات خدمات عمومی،

• سیستم‌های متصل بیرونی.

ترکیب دقیق باتری و LIC همیشه باید بر اساس پروفایل الکتریکی واقعی دستگاه، نه صرفاً نام کاربرد، انتخاب شود.

چگونه ترکیب مناسب ER و LIC را انتخاب کنیم

ترکیب باتری واحدی وجود ندارد که برای همهٔ کاربردهای اینترنت اشیا ایده‌آل باشد.

راه‌حل تأمین انرژی قابل اعتماد از درک پروفایل بار واقعی آغاز می‌شود.

پیش از انتخاب باتری ER و LIC، مهندسان باید پارامترهای زیر را ارزیابی کنند.

۱. جریان حالت استندبای

دستگاه در حالت خواب چقدر جریان مصرف می‌کند؟

از آنجا که دستگاه‌های اینترنت اشیا ممکن است بخش عمده‌ای از عمر خدمات خود را در حالت استندبای بگذرانند، حتی تغییر جزئی در جریان خواب می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر عمر کلی باتری داشته باشد.

۲. جریان اوج

بیشترین جریان لازم هنگام فعال‌شدن مودم، رادیو، موتور، شیر یا سایر بارها چقدر است؟

این یکی از مهم‌ترین پارامترها در انتخاب LIC است.

۳. مدت زمان پالس

پالس کوتاهی که چند میلی‌ثانیه طول می‌کشد، با باری که برای چند ثانیه بالا باقی می‌ماند، تفاوت بسیار زیادی دارد.

بنابراین، جریان اوج و مدت زمان پالس باید به‌صورت همزمان در نظر گرفته شوند.

۴. فرکانس انتقال

دستگاه چندبار در روز ارتباط برقرار می‌کند؟

یک‌بار در روز؟

یک‌بار در ساعت؟

هر چند دقیقه یک‌بار؟

دستگاهی که به‌طور مکرر اطلاعات ارسال می‌کند، ممکن است نیازمندی‌های بسیار متفاوتی نسبت به دستگاهی داشته باشد که تنها یک بستهٔ کوتاه در روز ارسال می‌کند.

۵. حداقل ولتاژ کاری

هر سیستم الکترونیکی دارای حداقل ولتاژی است که زیر آن، عملکرد قابل اعتماد تضمین نمی‌شود.

راه‌حل تأمین انرژی باید در شرایط بار حداکثری، ولتاژ کافی را حفظ کند.

۶. دمای کاری

دمای محیط بر عملکرد باتری، رفتار پالسی، مقاومت داخلی و ظرفیت قابل استفاده تأثیر می‌گذارد.

دستگاه‌های اینترنت اشیا برای محیط‌های باز و صنعتی ممکن است شرایط بسیار متفاوتی نسبت به الکترونیک‌های داخل ساختمان تجربه کنند.

۷. عمر مورد نیاز سرویس

یک طراحی پنج‌ساله و یک طراحی پانزده‌ساله نباید به‌طور خودکار از یک باتری یکسان استفاده کنند.

طول عمر مورد انتظار باید هم‌زمان با جریان حالت آماده‌به‌کار، فراوانی ارسال، تخلیهٔ خودبه‌خودی و شرایط محیطی ارزیابی شود.

۸. فضای قابل‌نصب موجود

راه‌حل الکتریکی ایده‌آل باید همچنان درون دستگاه جا شود.

به‌همین دلیل ترکیب‌های متعددی از جمله ER10450 + LIC0813 تا ER34615 + LIC1840 مفید هستند.

آیا استفاده از LIC ظرفیت آمپر-ساعت باتری را افزایش می‌دهد؟

این تفاوت اهمیت زیادی دارد.

معمولاً LIC عمدتاً برای افزایش ظرفیت اسمی آمپر-ساعت باتری ER اضافه نمی‌شود.

هدف اصلی، بهبود تأمین توان در مدت‌زمان کوتاه است.

باتری ER همچنان منبع اصلی انرژی بلندمدت باقی می‌ماند.

LIC در رویدادهای بار پالسی به‌عنوان بافر توان عمل می‌کند.

بنابراین، هنگام محاسبه عمر عملیاتی مورد انتظار، مهندسان باید ظرفیت قابل‌استفاده باتری ER را در کنار چرخه کار کامل دستگاه ارزیابی کنند.

باتری ER + LIC در مقابل باتری نرخ بالا

روش‌های مختلفی برای تأمین انرژی دستگاه اینترنت اشیا با پالس بالا وجود دارد.

یکی از گزینه‌ها استفاده از شیمی باتری یا ساختار سلولی است که به‌طور خاص برای جریان‌های پیوسته و پالسی بالاتر طراحی شده است.

گزینه دیگر ترکیب سلول Li-SOCl2 با انرژی بالا با یک مؤلفه پشتیبان پالس مانند LIC است.

انتخاب مناسب بستگی به کاربرد دارد.

معماری ER + LIC زمانی بسیار جذاب است که سیستم نیازمند موارد زیر باشد:

• خودتفکیک‌شدگی بسیار پایین،

• عمر استندبای طولانی،

• انرژی کل بالا،

• و تنها پالس‌های جریان بالا در فواصل زمانی دوره‌ای.

به جای بهینه‌سازی کل باتری بر اساس یک رویداد ارتباطی کوتاه، سیستم نیاز انرژی را از نیاز توان جدا می‌کند.

کاربردهای معمول سیستم‌های توان ER + LIC

این نوع معماری ترکیبی توان را می‌توان برای بسیاری از محصولات متصل به شبکه که از باتری تغذیه می‌شوند در نظر گرفت، از جمله:

کنتور هوشمند

• کنتورهای هوشمند آب

• کنتورهای هوشمند گاز

• برق سنج هوشمند

• کنتورهای حرارت

اینترنت اشیا بی‌سیم

• حسگرهای NB-IoT

• دستگاه‌های LTE-M

• گره‌های LoRaWAN

• تجهیزات ارتباطی رادیویی

ردیابی

• ردیاب‌های GPS

• دستگاه‌های ردیابی دارایی

• دستگاه‌های نظارت بر لجستیک

• فِرستنده‌های موقعیت از راه دور

اینترنت اشیاء صنعتی

• حسگرهای صنعتی

• تجهیزات نظارت از راه دور

• نظارت بر خطوط لوله

• نظارت بر زیرساخت‌ها

• سیستم‌های امنیتی و هشدار

نظارت بر محیط و کشاورزی

• حسگرهای آب‌وهوایی

• تجهیزات نظارت بر خاک

• دستگاه‌های اینترنت اشیا برای کشاورزی

• ثبت‌کننده‌های داده‌های محیطی

چرا پروفایل کامل بار اهمیت دارد

انتخاب باتری اینترنت اشیا مناسب تنها مسئله‌ای نیست که در آن بزرگ‌ترین ظرفیت ممکن را انتخاب کنید.

برای مثال، دو دستگاه ممکن است هر دو از ارتباط NB-IoT استفاده کنند، اما نیازهای توان آن‌ها کاملاً متفاوت باشد.

دستگاه الف ممکن است هر ۲۴ ساعت یک پیام کوتاه ارسال کند.

دستگاه ب ممکن است هر ۱۵ دقیقه یک بار پیام ارسال کند و ثبت‌نام مکرر در شبکه را انجام دهد.

حتی اگر هر دو محصول از فناوری ارتباطی یکسانی استفاده کنند، نیازهای باتری آن‌ها می‌تواند بسیار متفاوت باشد.

به همین دلیل، مفیدترین اطلاعاتی که باید هنگام درخواست راه‌حل تأمین توان ارائه شود عبارتند از:

• جریان کار عادی،

• جریان حالت خواب،

• بیشترین جریان پالسی،

• مدت زمان پالس،

• فرکانس ارتباط،

• حداقل ولتاژ کاری،

• محدوده دمای محیط،

• طول عمر هدف،

• و ابعاد باتری موجود.

با این اطلاعات، می‌توان ترکیب مناسب‌تری از باتری ER و LIC ارزیابی کرد.

یک پلتفرم قدرت مقیاس‌پذیر برای دستگاه‌های اینترنت اشیا

محدوده‌ای از ترکیب ER10450 + LIC0813 تا ER34615 + LIC1840، پلتفرمی مقیاس‌پذیر را برای اندازه‌ها و نیازهای توانی مختلف محصولات اینترنت اشیا ایجاد می‌کند.

ترکیبات کوچک‌تر می‌توانند سنسورهای متصل فشرده را که فضای نصب در آن‌ها محدود است، پشتیبانی کنند.

پیکربندی‌های میانی می‌توانند در کاربردهای شمارش هوشمند، ردیابی و سنسینگ بی‌سیم عمومی به کار روند.

ترکیبات بزرگ‌تر می‌توانند دستگاه‌های صنعتی دورافتاده را که هم طول عمر عملیاتی بلند و هم عملکرد پالسی قوی‌تری نیاز دارند، پشتیبانی کنند.

به جای در نظر گرفتن باتری به عنوان یک مؤلفهٔ مستقل، توسعه‌دهندگان اینترنت اشیا می‌توانند معماری کامل تأمین انرژی را بر اساس چرخهٔ واقعی کار دستگاه ارزیابی کنند.

نتیجه‌گیری

دستگاه‌های مدرن اینترنت اشیا صرفاً نیازمند باتری با ظرفیت بالا نیستند.

اغلب نیازمند سیستم تأمین انرژی هستند که بتواند جریان بسیار کمی را به‌طور کارآمد برای ماه‌ها یا سال‌ها تأمین کند، در عین حال از دوره‌های کوتاهی با جریان بسیار بالاتر در زمان ارتباط نیز پشتیبانی کند.

ترکیب باتری Li-SOCl2 نوع ER با خازن لیتیوم-یون یکی از راه‌حل‌های عملی برای پاسخگویی به هر دو نیاز است.

باتری ER انرژی بلندمدت را فراهم می‌کند.

خازن لیتیوم-یون (LIC) پشتیبانی از توان پالسی را ارائه می‌دهد.

از ترکیب‌های فشرده مانند ER10450 + LIC0813 تا سیستم‌های با انرژی بالاتر مانند ER34615 + LIC1840 ، راه‌حل مناسب به جریان انتظار دستگاه در حالت بیداری، جریان پالسی، مدت زمان پالس، فراوانی ارتباط، دما و عمر مورد نیاز بستگی دارد.

بنابراین مهم‌ترین پرسش در انتخاب باتری برای اینترنت اشیا این نیست که:

«بزرگ‌ترین ظرفیت باتری کدام است؟»

پرسش بهتر این است:

«کدام ترکیب توان به‌بهترین‌شکل با پروفایل عملیاتی واقعی دستگاه مطابقت دارد؟»

کوون می‌تواند پیکربندی‌های سفارشی باتری ER و LIC را برای کاربردهای مختلف اینترنت اشیا، اندازه‌گیری هوشمند، ردیابی و صنعتی بر اساس نیازهای الکتریکی و مکانیکی مشتری پشتیبانی کند.