ER-paristo + LIC IoT-sovelluksiin: Li-SOCl2-korkean pulssitehon opas

ER-akku + LIC IoT-laitteisiin: Oikean Li-SOCl2-korkeapulssisen teholähteen valinta

Kun älykkäitä mittareita, etäseurantajärjestelmiä, varojen seurantaa, ympäristön tunnistusta ja teollista automaatiota käytetään yhä enemmän, virran suunnittelu on tullut yhä tärkeämmäksi.

Monilla IoT-laitteilla on yhteinen ominaisuus: ne kuluttavat suurimman osan ajasta hyvin vähän sähköä, mutta vaativat ajoittain paljon suurempaa virtaa, kun langaton moduuli herää ja lähettää tietoja.

Tämä aiheuttaa haasteen.

Akku, joka toimii erinomaisesti alhaisilla jatkuvilla kuormituksilla, ei välttämättä ole optimoitu lyhyille, korkeavirtaisille pulssille. Toisaalta akun valinta pelkästään korkean pulssikyvyn perusteella voi turhaan kasvattaa laitteen kokoa, kustannuksia tai itsepurkautumista.

Yksi käytännöllinen ratkaisu on yhdistää litium-tionyylikloridi-akku litium-ionikondensaattoriin.

Cowonissa tyypillisiä yhdistelmiä ovat:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Nämä yhdistelmät on suunniteltu tasapainottamaan kaksi tärkeää vaatimusta akkukäyttöisessä IoT-laitteistossa:

pitkäaikainen energiantarve ja lyhytkestoinen korkea pulssiteho.

Miksi IoT-laitteet tarvitsevat sekä energiaa että tehoa

Tyypillinen langaton IoT-laite ei kuluta virtaa vakionopeudella.

Sen toimintasykli voi näyttää tältä:

Unirežiimi → Herääminen → Mittaus → Tiedon lähettäminen → Paluu unirežiimiin

Unirežiimissä virran kulutus voi olla erittäin alhainen.

Kun viestintämoduuli käynnistetään, virran tarve voi kuitenkin kasvaa merkittävästi lyhyeksi ajaksi.

Tämä on yleistä laitteissa, jotka käyttävät viestintätekniikoita, kuten:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF-viestintä

Tämä tarkoittaa, että keskimääräinen virran kulutus ei riitä oikean akun valintaan.

Insinöörien on myös otettava huomioon:

• huippuvirta,

• pulssin kesto,

• pulssin taajuus,

• vähimmäiskäyttöjännite,

• lämpötila-

• odotettu käyttöikä,

• ja saatavilla oleva asennustila.

Akku voi sisältää riittävästi kokonaisenergiaa laitteen toimintaan useiksi vuosiksi, mutta laite voi silti epäonnistua, jos jännite laskee elektroniikan vähimmäiskäyttöjännitteen alapuolelle tiedonsiirron aikana.

Siksi ER-akun ja LIC-ratkaisun yhdistelmä on hyödyllinen.

Mitä on ER Li-SOCl2 -akku?

ER-akut ovat primäärisiä litiumakkuja, jotka perustuvat litium-tionyylikloridikemiaan, jota yleensä merkitään lyhenteellä Li-SOCl2.

Ne tuottavat tyypillisesti nimellisjännitteen 3,6 V ja niitä käytetään laajalti teollisuus- ja IoT-laitteissa useiden tärkeiden ominaisuuksien vuoksi:

• korkea energiatiukkuus,

• alhainen itsepurkautuminen,

• pitkä säilytyskyky,

• vakaa jännite alhaisella purkuvirralla,

• laaja käyttölämpötila-alue,

• ja soveltuvuus pitkäaikaiseen valvomattomaan käyttöön.

Yleisiä ER-paristokokoja ovat:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 ja ER34615.

Pienemmät kennot ovat hyödyllisiä, kun PCB:n tila ja tuotteen mitat ovat rajoitettuja, kun taas suuremmat kennot, kuten ER26500 ja ER34615, tarjoavat huomattavasti enemmän energiaa sovelluksiin, joissa vaaditaan pidempää käyttöikää.

Energian kapasiteetti on kuitenkin vain osa tehojärjestelmän suunnittelua.

Miksi lisätä litium-ionikondensaattori?

Litium-ionikondensaattoria (LIC) käytetään korkean tehon tukikomponenttina.

Hyvin suunnitellussa hybriditehojärjestelmässä ER-paristo tarjoaa laitteelle vaadittavan pitkäaikaisen energian, kun taas LIC tukee lyhyitä korkean virran kulutusjaksoja.

Yksinkertainen tapa ymmärtää suhde on:

ER-akku = pitkäaikainen energia

LIC = lyhytaikainen huippuvirta

Normaalissa valmiustilassa ER-akku tukee pientä taustavirtaa.

Kun laite herää ja langaton moduuli alkaa lähettää, LIC voi auttaa tarjoamaan kuormalle vaadittavan lisähuippuvirran.

Lähetyksen jälkeen järjestelmä palaa matalan virrankulutuksen tilaan.

Tämä arkkitehtuuri voi parantaa jännitteen vakautta korkeavirtatapahtumien aikana ja vähentää sähköistä rasitusta, joka kohdistuu suoraan ensisijaiseen akkuun.

Miksi ei käytetä Li-SOCl2-akkua yksin?

Li-SOCl2-akut ovat erityisen houkuttelevia sovelluksissa, joissa vaaditaan pitkää käyttöikää, koska niillä on alhainen itsepurkautuminen ja korkea energiatiheys.

Monet suurikapasiteettiset ER-kennot on kuitenkin optimoitu ensisijaisesti pitkäaikaiseen, matalavirtaiseen purkaukseen.

Li-SOCl2-kemian toinen ominaisuus on passivaatio.

Varastoinnin ja pienitehoisen käytön aikana litiumpinnalle muodostuu suojaava kerros. Tämä kerros edistää akun erinomaisia varastointiominaisuuksia ja alhaista itsepurkautumista.

Tietyissä käyttöolosuhteissa, erityisesti pitkän varastoinnin jälkeen, äkillinen kuorman kasvu voi aiheuttaa tilapäisen jännitteen laskun.

Yksinkertaiselle matalatehoiselle piirille tämä ei ehkä ole merkityksellistä.

IoT-viestintämoduulille tilapäinen jännitteen lasku voi kuitenkin olla kriittinen.

Jos järjestelmän jännite laskee alle modemien, mikro-ohjausyksiköiden (MCU) tai RF-piirien vähimmäiskäyttöjännitteen, laite saattaa nollautua, epäonnistua verkkoon rekisteröitymisessä tai menettää datansiirron.

Sopivasti valittu LIC voi auttaa tarjoamaan lyhyen ajan kestävän virran näissä tilanteissa.

Kuusi ER + LIC -konfiguraatiota erilaisiin IoT-tarpeisiin

Erilaiset IoT-tuotteet vaativat erilaisia yhdistelmiä energiakapasiteetista, pulssikyvystä ja fyysisestä koosta.

Cowon tarjoaa useita ER + LIC -konfiguraatioita erilaisten sovellusvaatimusten kattamiseksi.

ER10450 + LIC0813

Tämä kompakti yhdistelmä sopii pienikokoisille IoT-tuotteille, joissa PCB:n tila ja akun koko ovat tärkeitä tekijöitä.

Tyypillisiä sovelluksia voivat olla:

• kompaktit langattomat anturit,

• pienet valvontalaitteet,

• matalan käyttöjakson lähettimet,

• pienet seurantalaitteet,

• kompaktit hyötyelektroniikkalaitteet.

Se on erityisen sopiva, kun järjestelmä vaatii pienen ensisijaisen akun mutta hyötyy silti lisäpulssituesta.

ER14250 + LIC0820

ER14250 on yleinen kompakti litium-tiilikloridikoko, jota käytetään teollisuuselektroniikassa ja älykkäissä anturituotteissa.

Kun se yhdistetään LIC0820:een, se tarjoaa hyödyllisen tasapainon kompaktien mittojen, pitkän valmiustilan toiminnan ja ajoittaisen langattoman viestinnän välillä.

Mahdollisia sovelluksia ovat:

• älykkäät anturit,

• kompaktit käyttömittarit,

• turvalaitteet,

• etäseurantalaitteet,

• matalan tehon RF-laitteet.

ER14505 + LIC1020

ER14505 tarjoaa suuremman energiakapasiteetin säilyttäen tutun AA-kokoisen muodon.

Yhdessä LIC1020:n kanssa tätä konfiguraatiota voidaan harkita IoT-tuotteisiin, joissa vaaditaan pidempiä toimintajaksoja tai suurempaa viestintäkuormaa kuin pienemmissä akkujärjestelmissä.

Tyypillisiä sovelluksia voivat olla:

• älykkäät vesimittarit,

• kaasumittarit,

• varojen seurantalaitteet,

• LoRa- ja LoRaWAN-solmut,

• NB-IoT-anturit,

• teollisuuden valvontajärjestelmät.

ER26500 + LIC1320

Kun energian tarve kasvaa, ER26500 muodostaa houkuttelevan vaihtoehdon pitkäikäisille teollisille IoT-järjestelmille.

Suurempi akku tarjoaa huomattavasti enemmän saatavilla olevaa energiaa kuin kompaktit ER-kennot, kun taas LIC1320 tukee järjestelmää viestinnän tai muiden huippukuormitustapahtumien aikana.

Mahdollisia sovelluksia ovat:

• NB-IoT-valvontalaitteet,

• etätelemetria-ohjaimet,

• teollisuusanturit,

• älykkäät mittarointilaitteet,

• maatalous-IoT,

• ympäristön seuranta,

• infrastruktuurin seuranta.

Tätä yhdistelmää käytetään erityisesti laitteissa, joiden odotetaan pysyvän kentällä pitkän aikaa ilman useita akun vaihtoja.

ER34615 + LIC1620

ER34615 on D-kokoinen Li-SOCl2-akku, jota valitaan yleensä silloin, kun tärkeintä ovat pitkä käyttöikä ja suuri kokonaissähköenergia.

LIC1620:n kanssa yhdistettynä se tukee vaativia IoT-sovelluksia, jotka yhdistävät erinomaisen alhaisen lepotilankulutuksen jaksolliseen korkean virran kuluttavaan tiedonsiirtoon.

Mahdollisia sovelluksia ovat:

• pitkäikäiset älykkäät mittarit,

• etäseurantajärjestelmät,

• teollinen tietojen siirto,

• GPS- ja varallisuuden seuranta,

• putkilinjojen seuranta,

• ulkoiset IoT-laitteet,

• soluyhteydellä varustetut anturit.

ER34615 + LIC1840

Sovelluksille, joissa on sekä korkeat energiavaatimukset että vaativammat huippukuormitukset, ER34615 + LIC1840 tarjoaa vaihtoehtoisen ratkaisun.

Suurempaa LIC-akkuja voidaan harkita, kun langaton viestintäjärjestelmä tai laitteen arkkitehtuuri vaatii vahvempaa huippukuorman tukea.

Tyypillisiä sovelluksia voivat olla:

• korkean tehon NB-IoT-laitteet,

• LTE-M-viestintäpäätteet,

• etäteollisuuden seuranta,

• seurantalaitteet,

• älykäs infrastruktuuri,

• hyötylaitteet,

• ulkoiset yhdistetyt järjestelmät.

Tarkan akun ja LIC:n yhdistelmän tulisi aina valita laitteen todellisen sähköisen profiilin perusteella, ei pelkästään sovelluksen nimen perusteella.

Miten valita oikea ER + LIC -yhdistelmä

Ei ole yhtä ainoaa akkuyhdistelmää, joka olisi ideaali kaikkiin IoT-sovelluksiin.

Luotettava virtaratkaisu alkaa todellisen kuormitustiedon ymmärtämisestä.

Ennen ER-akun ja LIC:n valintaa insinöörien tulisi arvioida seuraavia parametrejä.

1. Lepovirta

Kuinka paljon virtaa laite kuluttaa nukkuessaan?

Koska IoT-laitteet voivat viettää suurimman osan käyttöiästään lepovaiheessa, jopa pieni muutos lepovirrassa voi vaikuttaa merkittävästi kokonaissähköakun kestoon.

2. Huippuvirta

Mikä on suurin vaadittu virta, kun modem, radio, moottori, venttiili tai muu kuorma kytketään päälle?

Tämä on yksi tärkeimmistä parametreistä, kun valitaan LIC:ta.

3. Pulssin kesto

Muutaman millisekunnin kestävä lyhyt pulssi eroaa huomattavasti kuormasta, joka pysyy korkeana useita sekunteja.

Huippuvirran ja pulssin keston on siksi otettava huomioon yhdessä.

4. Lähetyksentaajuus

Kuinka usein laite kommunikoi?

Kerran päivässä?

Kerran tunnissa?

Muutaman minuutin välein?

Laitteella, joka lähettää tietoja usein, voi olla erilaiset vaatimukset akkujärjestelmälle verrattuna laitteeseen, joka lähettää yhden lyhyen paketin päivässä.

5. Vähimmäiskäyttöjännite

Jokaisella elektronisella järjestelmällä on vähimmäisjännite, jota alapuolella luotettava toiminta ei ole taattua.

Virtaratkaisun on säilytettävä riittävä jännite suurimman kuorman aikana.

6. Käyttölämpötila

Lämpötila vaikuttaa akun suorituskykyyn, pulssikäyttäytymiseen, sisäiseen vastukseen ja käytettävissä olevaan kapasiteettiin.

Ulkoiset ja teollisuuden IoT-laitteet voivat kokea hyvin erilaisia olosuhteita sisätilojen elektroniikkaan verrattuna.

7. Vaadittu käyttöikä

Viiden vuoden ja viidentoista vuoden suunnittelussa ei pitäisi automaattisesti käyttää samaa akkua.

Odotettu käyttöikä on arvioitava yhdessä lepovirran, lähetystaajuuden, itsepurkautumisen ja ympäristöolosuhteiden kanssa.

8. Käytettävissä oleva asennustila

Ideaalisen sähköisen ratkaisun on edelleen mahduttava laitteen sisään.

Siksi useat yhdistelmät – esimerkiksi ER10450 + LIC0813 ja ER34615 + LIC1840 – ovat hyödyllisiä.

Lisääkö LIC akun Ah-kapasiteettia?

Tämä on tärkeä ero.

LIC:tä ei yleensä lisätä ensisijaisesti ER-akun nimellisen Ah-kapasiteetin kasvattamiseksi.

Pääasiallinen tarkoitus on parantaa lyhytaikaista tehon toimitusta.

ER-akku säilyy pääasiallisena pitkäaikaisena energialähteenä.

LIC toimii tehonpuskuriina pulssikuormitustilanteissa.

Siksi odotettua käyttöikää laskettaessa insinöörit tulisi arvioida edelleen ER-akun käytettävissä olevaa kapasiteettia yhdessä koko laitteen käyttösyklin kanssa.

ER-akku + LIC verrattuna korkean tehon akkuun

IoT-laitteen, joka vaatii korkeata pulssitehoa, voi syöttää usealla eri tavalla.

Yksi vaihtoehto on käyttää akkukemiallista koostumusta tai kennojen rakennetta, joka on suunniteltu erityisesti korkealle jatkuvaiselle ja pulssivirralle.

Toinen vaihtoehto on yhdistää korkeaenerginen Li-SOCl2-kenno pulssitukea tarjoavaan komponenttiin, kuten LIC:hen.

Oikea valinta riippuu sovelluksesta.

ER + LIC -arkkitehtuuri voi olla erityisen houkutteleva, kun järjestelmä vaatii:

• erittäin pientä itsepurkautumista,

• pitkää odotusaikaa,

• korkeaa kokonaissähköenergiaa,

• ja vain ajoittaisia korkeavirtaisia pulsseja.

Sen sijaan, että koko akku optimoidaan lyhyen viestintätapahtuman varalle, järjestelmä erottaa energian tarpeen tehon tarpeesta.

ER + LIC -voimajärjestelmien tyypillisiä käyttökohteita

Tätä hybridivoimaympäristöä voidaan harkita monille akkukäyttöisille yhteydessä oleville tuotteille, mukaan lukien:

Älykkään mittauksen

• Älykkäät vesimittarit

• Älykkäät kaasumittarit

• Älykkäät sähkömittarit

• Lämpömittarit

Langaton IoT

• NB-IoT -anturit

• LTE-M -laitteet

• LoRaWAN -solmut

• RF-viestintälaitteet

Seuranta

• GPS-seurantalaitteet

• Varojen seurantalaitteet

• Logistiikan seurantalaitteet

• Etäpaikannusmajakat

Teollinen IoT

• Teolliset anturit

• Etäseurantalaitteet

• Putkijohtojen seuranta

• Infrastruktuurin seuranta

• Turvallisuus- ja hälytysjärjestelmät

Ympäristön ja maatalouden seuranta

• Sääanturit

• Maaperän seurantalaitteet

• Maatalouden IoT-laitteet

• Ympäristödatarekisteröijät

Miksi koko kuormituskäyrä on tärkeä

Oikean IoT-pariston valinta ei ole pelkkä kysymys siitä, että valitaan mahdollisimman suuri kapasiteetti.

Esimerkiksi kaksi laitetta voi käyttää molemmat NB-IoT-viestintää, mutta niillä voi olla täysin erilaiset tehonvaatimukset.

Laite A voi lähettää yhden lyhyen viestin joka 24. tunti.

Laite B voi lähettää viestejä joka 15. minuutti ja suorittaa usein verkkorekisteröintejä.

Vaikka molemmat tuotteet käyttäisivätkin samaa viestintäteknologiaa, niiden paristovaatimukset voivat olla hyvin erilaisia.

Tästä syystä hyödyllisin tieto, joka tulisi antaa tehostaratkaisua pyytäessä, sisältää:

• normaalin käyttövirran,

• leposuun virran,

• suurin pulssivirta,

• pulssin kesto,

• viestintätaajuus,

• vähimmäiskäyttöjännite,

• ympäristön lämpötila-alue,

• tavoiteltu käyttöikä,

• ja saatavilla olevat akun mitat.

Tällä tiedolla voidaan arvioida sopivampaa ER-akkuja ja LIC-kondensaattoreita yhdistävää ratkaisua.

Laajennettava tehopalvelualusta IoT-laitteille

ER10450 + LIC0813 -yhdistelmästä ER34615 + LIC1840 -yhdistelmään muodostuu laajennettava alusta eri kokoisille ja eri tehovaatimuksille suunnatuille IoT-tuotteille.

Pienempiä yhdistelmiä voidaan käyttää tiukkaa asennustilaa vaativissa pienissä kytketyissä antureissa.

Keskikokoisia konfiguraatioita voidaan käyttää älykkäisiin mittauslaitteisiin, seurantalaitteisiin ja yleiseen langattomaan anturitoimintaan.

Suuremmat yhdistelmät voivat tukea kaukana sijaitsevia teollisia laitteita, joille vaaditaan sekä pitkää käyttöikää että vahvempaa pulssisuorituskykyä.

Sen sijaan, että akku nähtäisiin erillisena komponenttina, IoT-kehittäjät voivat arvioida kokonaisvaltaista virta-arkkitehtuuria laitteen todellisen käyttösyklin mukaan.

Johtopäätös

Nykyiset IoT-laitteet vaativat enemmän kuin pelkästään suurikapasiteettista akkua.

Niillä on usein tarve tehonsyöttöjärjestelmälle, joka pystyy toimittamaan erinomaisesti hyvin pientä virtaa kuukausien tai vuosien ajan ja joka samalla tukee lyhyitä, paljon korkeampia virtoja viestintäjaksojen aikana.

Litium-tiukkloridipohjaisen ER-akun ja litiumioni-kondensaattorin yhdistäminen tarjoaa käytännöllisen ratkaisun molempiin vaatimuksiin.

ER-akku tarjoaa pitkäaikaista energiaa.

LIC tarjoaa pulssitehon tukia.

Kompakteista yhdistelmistä, kuten ER10450 + LIC0813 korkeampienergiatasoisempiin järjestelmiin, kuten ER34615 + LIC1840 , oikea ratkaisu riippuu laitteen todellisesta lepovirrasta, pulssivirrasta, pulssin kestosta, viestintätaajuudesta, lämpötilasta ja vaaditusta käyttöiästä.

IoT-paristovalinnassa tärkein kysymys on siis ei pelkästään:

"Mikä paristo tarjoaa suurimman kapasiteetin?"

Parempi kysymys on:

"Mikä teho-yhdistelmä vastaa parhaiten laitteen todellista käyttöprofiilia?"

Cowon voi tukea erilaisia IoT-, älykkäiden mittareiden, seurantajärjestelmien ja teollisuussovellusten mukautettuja ER-paristo + LIC -konfiguraatioita asiakkaan sähköisten ja mekaanisten vaatimusten perusteella.