Batterie ER + condensateur lithium-ion pour l’IoT : guide des batteries Li-SOCl2 à forte puissance impulsionnelle

Batterie ER + condensateur lithium-ion pour l’Internet des objets : choisir la bonne solution haute puissance par impulsions au lithium-thionyle chlorure

À mesure que de plus en plus de dispositifs IoT sont déployés dans les compteurs intelligents, la surveillance à distance, le suivi d’actifs, la détection environnementale et l’automatisation industrielle, la conception de l’alimentation devient de plus en plus cruciale.

De nombreux dispositifs IoT partagent une caractéristique commune : ils consomment très peu d’énergie la plupart du temps, mais nécessitent périodiquement un courant nettement plus élevé lorsque le module sans fil s’active et transmet des données.

Cela pose un défi.

Une batterie qui fonctionne exceptionnellement bien sous des charges continues faibles n’est pas toujours optimisée pour des impulsions courtes à fort courant. À l’inverse, choisir une batterie uniquement pour sa capacité à délivrer des impulsions élevées peut inutilement augmenter sa taille, son coût ou son auto-décharge.

Une solution pratique consiste à associer une batterie au lithium-thionyle chlorure à un condensateur lithium-ion.

Chez Cowon, les combinaisons typiques sont les suivantes :

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Ces combinaisons sont conçues pour équilibrer deux exigences importantes dans les équipements IoT alimentés par batterie :

une alimentation énergétique à long terme et une puissance impulsionnelle élevée de courte durée.

Pourquoi les dispositifs IoT nécessitent-ils à la fois de l’énergie et de la puissance

Un dispositif IoT sans fil typique ne consomme pas de courant à un débit constant.

Son cycle de fonctionnement peut être le suivant :

Veille → Réveil → Mesure → Transmission des données → Retour en veille

En mode veille, la consommation de courant peut être extrêmement faible.

Toutefois, lorsque le module de communication est activé, la demande de courant peut augmenter considérablement pendant une courte période.

Cela est courant dans les dispositifs utilisant des technologies de communication telles que :

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LORA

• LoRaWAN

• GPS

• Communication RF

Cela signifie que la consommation moyenne de courant à elle seule ne suffit pas pour sélectionner la pile appropriée.

Les ingénieurs doivent également tenir compte de :

• courant de crête,

• durée d’impulsion,

• fréquence d’impulsion,

• tension de fonctionnement minimale,

• température,

• durée de vie prévue,

• et l’espace d’installation disponible.

Une batterie peut contenir suffisamment d’énergie totale pour alimenter un appareil pendant de nombreuses années, mais cet appareil peut tout de même tomber en panne si la tension chute en dessous de la tension minimale de fonctionnement électronique pendant la transmission.

C’est là qu’une solution combinant une batterie ER et un condensateur à double couche (LIC) devient utile.

Qu’est-ce qu’une batterie primaire Li-SOCl₂ ER ?

Les batteries ER sont des piles primaires au lithium basées sur la chimie chlorure de thionyle-lithium, couramment désignée Li-SOCl₂.

Elles délivrent typiquement une tension nominale de 3,6 V et sont largement utilisées dans les équipements industriels et IoT en raison de plusieurs caractéristiques importantes :

• une densité énergétique élevée,

• une faible autodécharge,

• une longue capacité de stockage,

• une tension stable lors d’une décharge à faible débit,

• grande capacité de fonctionnement sur une large plage de températures,

• et une aptitude à fonctionner sans surveillance pendant de longues périodes.

Les formats courants de piles ER comprennent :

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 et ER34615.

Les piles plus petites sont utiles lorsque l’espace disponible sur la carte de circuit imprimé (PCB) et les dimensions du produit sont limitées, tandis que les piles plus grandes, telles que l’ER26500 et l’ER34615, fournissent nettement plus d’énergie pour les applications nécessitant une durée de service prolongée.

Toutefois, la capacité énergétique ne constitue qu’un aspect de la conception du système d’alimentation.

Pourquoi ajouter un condensateur lithium-ion ?

Un condensateur lithium-ion (LIC) est utilisé comme composant de soutien à haute puissance.

Dans un système hybride d’alimentation correctement conçu, la pile ER fournit l’énergie à long terme requise par l’appareil, tandis que le LIC contribue à répondre aux pics de demande de courant élevés sur de courtes durées.

Une façon simple de comprendre cette relation est la suivante :

Batterie ER = Énergie à long terme

Condensateur à ions lithium (LIC) = Puissance impulsionnelle à court terme

Pendant le fonctionnement normal en veille, la batterie ER fournit le courant de fond faible.

Lorsque l’appareil sort de veille et que le module sans fil commence à transmettre, le LIC peut fournir le courant impulsionnel supplémentaire requis par la charge.

Après l’événement de transmission, le système revient à son état à faible consommation d’énergie.

Cette architecture peut contribuer à améliorer la stabilité de la tension pendant les événements à fort courant et à réduire la contrainte électrique exercée directement sur la batterie principale.

Pourquoi ne pas utiliser uniquement une batterie Li-SOCl₂ ?

Les batteries Li-SOCl₂ sont particulièrement attractives pour les applications nécessitant une longue durée de vie opérationnelle, en raison de leur faible autodécharge et de leur forte densité énergétique.

Toutefois, de nombreuses cellules ER à haute capacité sont principalement optimisées pour une décharge à faible courant sur une longue période.

Une autre caractéristique de la chimie Li-SOCl₂ est la passivation.

Pendant le stockage et le fonctionnement à faible courant, une couche protectrice se forme à la surface du lithium. Cette couche contribue aux excellentes caractéristiques de stockage et à la faible autodécharge de la batterie.

Toutefois, dans certaines conditions de fonctionnement, notamment après un stockage prolongé, une augmentation soudaine de la charge peut provoquer une chute temporaire de tension.

Pour un circuit simple à faible puissance, cela peut ne pas être important.

Pour un module de communication IoT, en revanche, une chute temporaire de tension peut être critique.

Si la tension du système descend en dessous de la tension de fonctionnement minimale du modem, de la MCU ou du circuit RF, l’appareil peut redémarrer, échouer à s’enregistrer sur le réseau ou perdre une transmission de données.

L’ajout d’un condensateur LIC correctement sélectionné peut aider à fournir le courant de courte durée requis pendant ces événements.

Six configurations ER + LIC pour différentes exigences IoT

Les différents produits IoT nécessitent des combinaisons variées de capacité énergétique, de capacité impulsionnelle et de dimensions physiques.

Cowon propose plusieurs configurations ER + LIC afin de couvrir différentes exigences d’application.

ER10450 + LIC0813

Cette combinaison compacte convient aux produits IoT miniatures, où l’espace disponible sur la carte de circuit imprimé (PCB) et la taille de la batterie constituent des facteurs importants.

Les applications typiques peuvent inclure :

• capteurs sans fil compacts,

• petits dispositifs de surveillance,

• émetteurs à faible cycle de fonctionnement,

• petits dispositifs de suivi,

• électronique utilitaire compacte.

Elle est particulièrement adaptée lorsque le système requiert une petite batterie primaire tout en bénéficiant néanmoins d’un soutien supplémentaire pour les impulsions.

ER14250 + LIC0820

L’ER14250 est un format compact courant de pile Li-SOCl₂ utilisé dans l’électronique industrielle et les produits intelligents de détection.

Associé au LIC0820, il permet d’obtenir un équilibre utile entre dimensions réduites, longue autonomie en veille et communications sans fil périodiques.

Les applications potentielles comprennent :

• capteurs intelligents,

• compteurs utilitaires compacts,

• dispositifs de sécurité,

• nœuds de surveillance à distance,

• dispositifs RF à faible consommation d’énergie.

ER14505 + LIC1020

La pile ER14505 offre une capacité énergétique supérieure tout en conservant un format familier de taille AA.

Associée à la LIC1020, cette configuration peut être envisagée pour les produits IoT nécessitant une durée de fonctionnement plus longue ou des exigences de communication plus importantes que celles des systèmes de piles plus petits.

Les applications typiques peuvent inclure :

• compteurs d’eau intelligents,

• compteurs de gaz,

• dispositifs de suivi d’actifs,

• Nœuds LoRa et LoRaWAN,

• Capteurs NB-IoT,

• systèmes de surveillance industrielle.

ER26500 + LIC1320

À mesure que les besoins énergétiques augmentent, la pile ER26500 devient une option attrayante pour les systèmes IoT industriels à longue durée de vie.

La pile plus volumineuse fournit nettement plus d’énergie disponible que les piles ER compactes, tandis que la LIC1320 soutient le système pendant les communications ou d’autres événements à forte demande.

Les applications potentielles comprennent :

• Dispositifs de surveillance NB-IoT,

• unités de télémétrie distante,

• capteurs industriels,

• équipements de comptage intelligent,

• ioT agricole,

• surveillance environnementale,

• surveillance des infrastructures.

Ce type de combinaison est particulièrement utile pour les dispositifs destinés à rester sur le terrain pendant de longues périodes sans remplacement fréquent de la batterie.

ER34615 + LIC1620

L’ER34615 est une pile au lithium-thionyle chlorure de format D, couramment choisie lorsque la longue durée de vie et l’énergie totale élevée sont essentielles.

Associée à la LIC1620, elle permet de soutenir des applications IoT exigeantes qui allient une consommation en veille très faible à des communications périodiques à fort courant.

Les applications potentielles comprennent :

• compteurs intelligents à longue durée de vie,

• systèmes de surveillance à distance,

• télémétrie industrielle,

• GPS et suivi d’actifs,

• surveillance des canalisations,

• équipement IoT extérieur,

• capteurs connectés par réseau cellulaire.

ER34615 + LIC1840

Pour les applications nécessitant à la fois une forte consommation énergétique et des charges impulsionnelles plus exigeantes, la combinaison ER34615 + LIC1840 constitue une autre option.

La supercondensateur LIC de plus grande capacité peut être envisagé lorsque le système de communication sans fil ou l’architecture du dispositif exige un soutien impulsionnel renforcé.

Les applications typiques peuvent inclure :

• dispositifs NB-IoT haute puissance,

• Terminaux de communication LTE-M,

• surveillance industrielle à distance,

• dispositifs de suivi,

• infrastructures intelligentes,

• équipements de services publics,

• systèmes connectés extérieurs.

La combinaison exacte de batterie ER et de condensateur à double couche (LIC) doit toujours être sélectionnée en fonction du profil électrique réel de l’appareil, et non uniquement du nom de l’application.

Comment choisir la bonne combinaison ER + LIC

Il n’existe pas de combinaison de batterie unique idéale pour toutes les applications IoT.

Une solution d’alimentation fiable commence par la compréhension du profil de charge réel.

Avant de sélectionner une batterie ER et un condensateur à double couche (LIC), les ingénieurs doivent évaluer les paramètres suivants.

1. Courant de veille

Quel courant l’appareil consomme-t-il en mode veille ?

Comme les appareils IoT peuvent passer la majeure partie de leur durée de service en mode veille, même une légère variation du courant de veille peut avoir un effet significatif sur la durée de vie totale de la batterie.

2. Courant de pointe

Quel est le courant maximal requis lorsque le modem, la radio, le moteur, la vanne ou une autre charge est activé(e) ?

Il s'agit l'un des paramètres les plus importants lors du choix de la LIC.

3. Durée de l'impulsion

Une brève impulsion de quelques millisecondes est très différente d'une charge qui reste élevée pendant plusieurs secondes.

Le courant de crête et la durée de l'impulsion doivent donc être considérés conjointement.

4. Fréquence de transmission

À quelle fréquence l'appareil communique-t-il ?

Une fois par jour ?

Une fois par heure ?

Toutes les quelques minutes ?

Un dispositif qui transmet fréquemment peut imposer des exigences très différentes au système de batterie par rapport à un dispositif qui envoie un seul paquet court par jour.

5. Tension de fonctionnement minimale

Tout système électronique possède une tension minimale en dessous de laquelle un fonctionnement fiable ne peut pas être garanti.

La solution d’alimentation doit maintenir une tension suffisante pendant la condition de charge maximale.

6. Température de fonctionnement

La température influence les performances de la batterie, son comportement en impulsions, sa résistance interne et sa capacité utilisable.

Les dispositifs IoT destinés à l’extérieur ou à un usage industriel peuvent être soumis à des conditions très différentes de celles des équipements électroniques destinés à l’intérieur.

7. Durée de vie requise

Une conception prévue pour cinq ans et une autre prévue pour quinze ans ne doivent pas automatiquement utiliser la même batterie.

La durée de vie attendue doit être évaluée conjointement avec le courant de veille, la fréquence de transmission, l’autodécharge et les conditions environnementales.

8. Espace d’installation disponible

La solution électrique idéale doit toutefois tenir à l’intérieur de l’appareil.

C’est pourquoi plusieurs combinaisons, allant de ER10450 + LIC0813 à ER34615 + LIC1840, sont utiles.

Un condensateur à double couche (LIC) augmente-t-il la capacité en Ah de la batterie ?

Il s'agit d'une distinction importante.

Un LIC n’est généralement pas ajouté principalement pour augmenter la capacité nominale en Ah de la batterie ER.

Son objectif principal est d’améliorer la fourniture d’énergie sur de courtes durées.

La batterie ER reste la source d’énergie principale à long terme.

Le LIC agit comme une réserve de puissance pendant les sollicitations par impulsions.

Par conséquent, lors du calcul de la durée de vie opérationnelle attendue, les ingénieurs doivent toujours évaluer la capacité utilisable de la batterie ER conjointement avec le cycle d’utilisation complet de l’appareil.

Batterie ER + LIC contre batterie à haute décharge

Il existe plusieurs façons d’alimenter un dispositif IoT à impulsions élevées.

Une option consiste à utiliser une chimie de batterie ou une conception de cellule spécifiquement conçue pour des courants continus et impulsionnels plus élevés.

Une autre option consiste à combiner une cellule Li-SOCl₂ à haute énergie avec un composant de soutien aux impulsions, tel qu’un condensateur ionique lithium (LIC).

Le choix approprié dépend de l’application.

Une architecture ER + LIC peut être particulièrement attrayante lorsque le système nécessite :

• une autodécharge très faible,

• une longue durée de vie en veille,

• une énergie totale élevée,

• et uniquement des impulsions à fort courant périodiques.

Plutôt que d’optimiser toute la batterie autour d’un bref événement de communication, le système sépare la demande énergétique de la demande de puissance.

Applications typiques des systèmes d’alimentation ER + LIC

Cette architecture hybride d’alimentation peut être envisagée pour de nombreux produits connectés fonctionnant sur batterie, notamment :

Comptage intelligent

• Compteurs d'eau intelligents

• Compteurs de gaz intelligents

• Compteurs électriques intelligents

• Compteurs de chaleur

Objets connectés sans fil (IoT)

• Capteurs NB-IoT

• Appareils LTE-M

• Nœuds LoRaWAN

• Équipements de communication RF

Suivi

• Les traceurs GPS

• Dispositifs de suivi d’actifs

• Dispositifs de surveillance logistique

• Balises de localisation à distance

Internet des objets industriels

• Capteurs industriels

• Équipements de surveillance à distance

• Surveillance des pipelines

• Surveillance des infrastructures

• Systèmes de sécurité et d’alarme

Surveillance environnementale et agricole

• Capteurs météorologiques

• Équipements de surveillance des sols

• Appareils IoT agricoles

• Enregistreurs de données environnementales

Pourquoi le profil complet de charge est essentiel

Choisir la bonne batterie IoT ne consiste pas simplement à sélectionner la capacité la plus élevée possible.

Par exemple, deux appareils peuvent tous deux utiliser la communication NB-IoT, mais présenter des besoins énergétiques totalement différents.

L’appareil A peut transmettre un court message toutes les 24 heures.

L’appareil B peut transmettre toutes les 15 minutes et effectuer fréquemment des enregistrements sur le réseau.

Même si les deux produits utilisent la même technologie de communication, leurs besoins en matière de batterie peuvent varier considérablement.

Pour cette raison, les informations les plus utiles à fournir lors de la demande d’une solution d’alimentation sont les suivantes :

• courant de fonctionnement normal,

• courant de veille,

• courant impulsionnel maximal,

• durée d’impulsion,

• fréquence de communication,

• tension de fonctionnement minimale,

• plage de température ambiante,

• durée de vie cible,

• et les dimensions disponibles de la batterie.

À partir de ces informations, une combinaison plus adaptée de batterie ER et de condensateur à double couche (LIC) peut être évaluée.

Une plateforme d’alimentation évolutif pour les dispositifs IoT

La gamme allant de ER10450 + LIC0813 à ER34615 + LIC1840 constitue une plateforme évolutif pour différentes tailles de produits IoT et différents besoins en puissance.

Les combinaisons plus petites peuvent alimenter des capteurs connectés compacts, là où l’espace d’installation est limité.

Les configurations intermédiaires conviennent aux compteurs intelligents, au suivi et aux capteurs sans fil généraux.

Les combinaisons plus grandes peuvent alimenter des dispositifs industriels distants nécessitant à la fois une longue durée de vie opérationnelle et de meilleures performances en impulsions.

Au lieu de considérer la batterie comme un composant autonome, les développeurs IoT peuvent évaluer l’ensemble de l’architecture d’alimentation en fonction du cycle d’utilisation réel de l’appareil.

Conclusion

Les appareils IoT modernes exigent plus qu’une simple batterie à forte capacité.

Ils nécessitent souvent un système d’alimentation capable de délivrer efficacement un courant très faible pendant des mois ou des années, tout en supportant toutefois de brèves périodes de courant nettement plus élevé lors des échanges de données.

Associer une batterie ER au lithium-thionyle chlorure (Li-SOCl₂) à un condensateur lithium-ion (LIC) constitue une solution pratique pour répondre à ces deux exigences.

La batterie ER fournit de l’énergie sur le long terme.

Le LIC assure le soutien en puissance impulsionnelle.

Depuis des combinaisons compactes telles que ER10450 + LIC0813 jusqu’à des systèmes à plus haute énergie tels que ER34615 + LIC1840 , la solution adaptée dépend du courant de veille réel de l’appareil, du courant impulsionnel, de la durée des impulsions, de la fréquence des communications, de la température et de la durée de vie requise.

Pour la sélection d’une batterie destinée aux applications IoT, la question la plus importante n’est donc pas simplement :

« Quelle batterie a la plus grande capacité ? »

Une question plus pertinente est :

« Quelle combinaison de puissance correspond le mieux au profil réel de fonctionnement de l’appareil ? »

Cowon peut prendre en charge des configurations personnalisées de batteries ER + LIC pour diverses applications IoT, de comptage intelligent, de suivi et industrielles, en fonction des exigences électriques et mécaniques du client.