ER akkumulátor + LIC az IoT-hoz: Li-SOCl2 nagyimpulzusú teljesítmény-útmutató

ER-akku + LIC az IoT-hoz: A megfelelő Li-SOCl2 nagyimpulzusú teljesítménymegoldás kiválasztása

Ahogy egyre több IoT-eszközt telepítenek okos mérőkben, távoli figyelésre, eszköznyomon követésre, környezeti érzékelésre és ipari automatizálásra, a tápellátás tervezése egyre fontosabbá válik.

Sok IoT-eszköznek van egy közös jellemzője: általában nagyon kevés energiát fogyasztanak, de időnként lényegesen magasabb áramra van szükségük, amikor a vezeték nélküli modul felébred és adatot küld.

Ez kihívást jelent.

Egy olyan akku, amely kiválóan működik alacsony folyamatos terhelés mellett, nem feltétlenül optimalizált rövid, nagyáramú impulzusokra. Másrészt, ha csak a nagy impulzus-képesség alapján választunk akkut, az feleslegesen megnövelheti a méretet, a költséget vagy az önkisülést.

Egy gyakorlatias megoldás a lítium-tionil-klorid akku és a lítium-ion kondenzátor kombinálása.

A Cowon-nál tipikus kombinációk például:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Ezeket a kombinációkat úgy tervezték, hogy kiegyensúlyozzák a teleppel működő IoT-eszközök két fontos követelményét:

hosszú távú energiellátást és rövid ideig tartó, nagy impulzus-teljesítményt.

Miért van szükség az IoT-eszközöknek egyaránt energiára és teljesítményre

Egy tipikus vezeték nélküli IoT-eszköz nem állandó áramerősséggel fogyaszt.

Működési ciklusa például így nézhet ki:

Alvás → Felébredés → Mérés → Adatátvitel → Visszatérés az alvásba

Az alvási üzemmódban az áramfelvétel rendkívül alacsony lehet.

Amikor az adatközlő modul bekapcsolódik, a fogyasztás rövid ideig jelentősen megnőhet.

Ez gyakori olyan eszközökben, amelyek adatközlő technológiákat használnak, például:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF-adatközlés

Ez azt jelenti, hogy az átlagos áramfelvétel egyedül nem elegendő a megfelelő akkumulátor kiválasztásához.

A mérnököknek figyelembe kell venniük továbbá:

• csúcsáramot,

• impulzusidőt,

• impulzusfrekvenciát,

• minimális üzemi feszültséget,

• hőmérséklet,

• várható élettartam,

• és a rendelkezésre álló telepítési hely.

Egy akkumulátor összesen elég energiát tartalmazhat ahhoz, hogy egy eszközt évekig működtessen, de az eszköz mégis meghibásodhat, ha a feszültség a továbbítás során lecsökken az elektronikai alkatrészek minimális üzemelési feszültsége alá.

Itt válik hasznossá az ER-akkumulátor + LIC-megoldás.

Mi az ER Li-SOCl2 akkumulátor?

Az ER-akkumulátorok elsődleges lítium-akkumulátorok, amelyek lítium-tionil-klorid kémiai összetételen alapulnak, általában Li-SOCl2 formában írják.

Általában 3,6 V névleges feszültséget biztosítanak, és széles körben használják ipari és IoT-eszközökben több fontos tulajdonságuk miatt:

• magas energiasűrűség,

• alacsony önkisülés,

• hosszú tárolási képesség,

• stabilis feszültség alacsony kisütési aránynál,

• széles működési hőmérséklet-tartomány,

• és alkalmas hosszú távú felügyelet nélküli üzemelésre.

Gyakori ER elemek méretei:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 és ER34615.

A kisebb elemek akkor hasznosak, ha a nyomtatott áramkör (PCB) helye és a termék méretei korlátozottak, míg a nagyobb elemek – például az ER26500 és az ER34615 – jelentősen több energiát biztosítanak olyan alkalmazásokhoz, amelyek hosszabb élettartamot igényelnek.

Az energiakapacitás azonban csak egy része a teljesítményrendszer tervezésének.

Miért érdemes litium-ion kondenzátort hozzáadni?

Egy litium-ion kondenzátort (LIC) nagy teljesítményű támogató elemként használnak.

Egy megfelelően tervezett hibrid teljesítményrendszerben az ER elem biztosítja a készülék hosszú távú energiaszükségletét, míg az LIC segít kezelni a rövid ideig tartó, nagy áramfelvételt igénylő terheléseket.

Egy egyszerű mód a kapcsolat megértésére:

ER-akku = hosszú távú energia

LIC = rövid távú impulzus-teljesítmény

A normál várakozási üzemmódban az ER-akku biztosítja az alacsony háttéráramot.

Amikor az eszköz felébred, és a vezeték nélküli modul adásba kezd, az LIC segíthet a terhelés által igényelt további impulzusáram biztosításában.

Az adás után a rendszer visszatér alacsony fogyasztású állapotába.

Ez az architektúra segíthet javítani a feszültségstabilitáson nagy áramfelvétel idején, és csökkentheti az elsődleges akkura közvetlenül kifejtett elektromos terhelést.

Miért nem használható kizárólag Li-SOCl2-akku?

A Li-SOCl2-akkuk különösen vonzók olyan alkalmazásokhoz, amelyek hosszú üzemidejű működést igényelnek, mivel alacsony önkisülésük és magas energiasűrűségük van.

Sok nagy kapacitású ER-elem azonban elsősorban a hosszú távú, alacsony áramerősségű kisütésre van optimalizálva.

A Li-SOCl2 kémia egy másik jellemzője a passziváció.

Tárolás és alacsony áramerősségű üzemelés közben védőréteg képződik a lítium felületén. Ez a réteg hozzájárul az elem kiváló tárolási tulajdonságaihoz és alacsony önkisüléséhez.

Bizonyos üzemeltetési körülmények között azonban, különösen hosszabb tárolás után, egy hirtelen terhelésnövekedés ideiglenes feszültségesést okozhat.

Egy egyszerű, alacsony teljesítményű áramkör esetében ez nem feltétlenül számít.

Egy IoT-kommunikációs modul esetében azonban az ideiglenes feszültségesés kritikus lehet.

Ha a rendszerfeszültség lecsökken a modem, az MCU vagy az RF-áramkör minimális üzemi feszültsége alá, az eszköz újraindíthat, nem tud regisztrálni a hálózaton, vagy adatátviteli hibát okozhat.

Ezekben az esetekben egy megfelelően kiválasztott LIC segíthet biztosítani a rövid ideig tartó, szükséges áramellátást.

Hat ER + LIC konfiguráció különböző IoT-igényekhez

Különböző IoT-termékek különböző energiatárolási kapacitásra, impulzusképességre és fizikai méretre van szükségük.

A Cowon több ER + LIC konfigurációt kínál különböző alkalmazási igények lefedésére.

ER10450 + LIC0813

Ez a kompakt kombináció kis méretű IoT-termékekhez alkalmas, ahol a nyomtatott áramkör (PCB) helyigénye és az akkumulátor mérete fontos szempont.

Tipikus alkalmazások lehetnek:

• kompakt vezeték nélküli érzékelők,

• kis méretű figyelőeszközök,

• alacsony üzemi ciklusú adók,

• kis méretű nyomkövető eszközök,

• kompakt segéd-elektronikai berendezések.

Különösen akkor alkalmas, ha a rendszer kis elsődleges akkumulátort igényel, ugyanakkor további impulzus-támogatásból is profitál.

ER14250 + LIC0820

Az ER14250 egy gyakori, kompakt Li-SOCl2 típusú elem, amely ipari elektronikában és intelligens érzékelő termékekben használatos.

Ha az LIC0820 elemmel párosítják, akkor jól egyensúlyozott megoldást nyújt a kompakt méretek, a hosszú távú várakozási üzemmód és a periodikus vezeték nélküli kommunikáció között.

A lehetséges alkalmazások a következők:

• okos érzékelők,

• kompakt segédmérők,

• biztonsági eszközök,

• távoli figyelési csomópontok,

• alacsony fogyasztású rádiófrekvenciás eszközök.

ER14505 + LIC1020

Az ER14505 nagyobb energiatartalmat kínál, miközben megtartja a jól ismert AA-méretet.

A LIC1020-vel együtt ezt a konfigurációt azokra az IoT-termékekre lehet javasolni, amelyek hosszabb üzemidőt vagy nagyobb kommunikációs igényt támasztanak, mint a kisebb akkumulátorrendszerek.

Tipikus alkalmazások lehetnek:

• okos vízmérők,

• gázmérők,

• eszközök nyomon követésére szolgáló eszközök,

• LoRa- és LoRaWAN-csomópontok,

• NB-IoT-érzékelők,

• ipari figyelőrendszerek.

ER26500 + LIC1320

Ahogy a energiaigény növekszik, az ER26500 vonzó lehetőséget kínál hosszú élettartamú ipari IoT-rendszerek számára.

A nagyobb akkumulátor lényegesen több elérhető energiát biztosít, mint a kompakt ER-elemek, miközben az LIC1320 támogatja a rendszert a kommunikáció vagy más csúcsterheléses események idején.

A lehetséges alkalmazások a következők:

• NB-IoT-felügyeleti eszközök,

• távoli távmérési egységek,

• ipari érzékelők,

• okos mérőberendezések,

• mezőgazdasági IoT,

• környezeti figyelés,

• infrastruktúra-felügyelet.

Ez a kombinációs típus különösen hasznos olyan eszközök esetében, amelyeket hosszabb ideig terveznek a terepen tartani akkumulátor-csere nélkül.

ER34615 + LIC1620

Az ER34615 egy D méretű lítium-tionil-klorid (Li-SOCl₂) elem, amelyet gyakran választanak, ha hosszú élettartam és magas teljes energiatartalom fontos.

Az LIC1620 elemmel párosítva támogatja az igényes IoT-alkalmazásokat, amelyek nagyon alacsony állófogyasztást és időszakos, nagy áramfelvételű kommunikációt kombinálnak.

A lehetséges alkalmazások a következők:

• hosszú élettartamú okosmérők,

• távoli figyelőrendszerek,

• ipari távmérés,

• GPS- és eszköznyomonkövetés,

• csővezeték-figyelés,

• kültéri IoT-eszközök,

• mobilhálózatra csatlakoztatott érzékelők.

ER34615 + LIC1840

Olyan alkalmazásokhoz, amelyek magas energiakövetelményeket és igényesebb impulzusterheléseket is támasztanak, az ER34615 + LIC1840 egy másik lehetőséget kínál.

A nagyobb kapacitású LIC-et akkor érdemes figyelembe venni, ha a vezeték nélküli kommunikációs rendszer vagy az eszköz architektúrája erősebb impulzus-támogatást igényel.

Tipikus alkalmazások lehetnek:

• nagy teljesítményű NB-IoT-eszközök,

• LTE-M kommunikációs terminálok,

• távoli ipari felügyelet,

• nyomkövető eszközök,

• okos infrastruktúra,

• közműeszközök,

• kültéri, csatlakoztatott rendszerek.

A pontos akkumulátor- és LIC-kombinációt mindig a készülék tényleges elektromos profilja alapján kell kiválasztani, nem csupán az alkalmazás neve alapján.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő ER + LIC kombinációt

Nincs egyetlen olyan akkumulátor-kombináció, amely ideális lenne minden IoT-alkalmazás számára.

Egy megbízható energiaellátási megoldás a tényleges terhelési profil megértésével kezdődik.

Az ER-akkumulátor és az LIC kiválasztása előtt a mérnököknek értékelniük kell az alábbi paramétereket.

1. Alvóáram

Mennyi áramot fogyaszt a készülék alvó üzemmódban?

Mivel az IoT-eszközök szolgáltatási idejük nagy részét alvó üzemmódban töltik, még egy apró változás az alvóáramban is jelentős hatással lehet az akkumulátor teljes élettartamára.

2. Csúcsáram

Mekkora a legnagyobb áramfelvétel, amikor a modem, a rádió, a motor, a szelep vagy más terhelés aktiválódik?

Ez az egyik legfontosabb paraméter a LIC kiválasztásakor.

3. Impulzusidőtartam

Egy néhány milliszekundumig tartó rövid impulzus nagyon eltér attól a terheléstől, amely több másodpercig marad magas szinten.

A csúcsáramot és az impulzusidőtartamot ezért együtt kell figyelembe venni.

4. Adási frekvencia

Milyen gyakran kommunikál az eszköz?

Napi egyszer?

Óránként egyszer?

Néhány percenként?

Egy gyakran adó eszköz sokkal eltérő igényeket támaszthat a teleprendszerrel szemben, mint egy olyan eszköz, amely naponta egyszer küld egy rövid csomagot.

5. Minimális üzemelési feszültség

Minden elektronikus rendszernek van egy minimális feszültsége, amely alatt a megbízható működés nem garantálható.

Az energiaellátási megoldásnak a legnagyobb terhelési feltétel mellett is elegendő feszültséget kell biztosítania.

6. Üzemelési hőmérséklet

A hőmérséklet befolyásolja az akkumulátor teljesítményét, impulzusviselkedését, belső ellenállását és hasznos kapacitását.

A kültéri és ipari IoT-eszközök nagyon eltérő körülmények között is működhetnek, mint a beltéri elektronikai eszközök.

7. Szükséges szolgáltatási élettartam

Egy öt év alatt tervezett és egy tizenöt év alatt tervezett rendszer nem feltétlenül használhatja ugyanazt az akkumulátort.

Az elvárt élettartamot együttesen kell értékelni a várakozási árammal, az adás gyakoriságával, az önkisüléssel és a környezeti feltételekkel.

8. Rendelkezésre álló telepítési hely

Az ideális elektromos megoldásnak továbbra is illeszkednie kell az eszköz belsejébe.

Ezért hasznos többféle kombináció – például az ER10450 + LIC0813-től az ER34615 + LIC1840-ig.

Növeli-e az LIC az akkumulátor Ah-kapacitását?

Ez egy fontos megkülönböztetés.

Az LIC-t általában nem elsősorban az ER-akkumulátor névleges Ah-kapacitásának növelésére adják hozzá.

Fő célja a rövid ideig tartó teljesítményszolgáltatás javítása.

Az ER-akkumulátor marad a fő hosszú távú energiamegbízhatósági forrás.

Az LIC a teljesítmény-pufferként működik impulzusos terhelési esetekben.

Ezért az elvárt üzemidejének kiszámításakor a mérnököknek továbbra is az ER-akkumulátor használható kapacitását és az eszköz teljes üzemi ciklusát kell figyelembe venniük.

ER-akkumulátor + LIC vs. nagy teljesítményű akkumulátor

Többféle módon is működtethető egy nagyimpulzusú IoT-eszköz.

Az egyik lehetőség egy olyan akkumulátor-kémia vagy cellaépítés alkalmazása, amelyet kifejezetten a magas folyamatos és impulzusáramra terveztek.

Egy másik lehetőség egy nagyenergiatartalmú Li-SOCl2 cella kombinálása egy impulzustámogató komponenssel, például egy LIC-cel.

A megfelelő választás az alkalmazástól függ.

Egy ER + LIC architektúra különösen vonzó lehet, ha a rendszernek a következőkre van szüksége:

• nagyon alacsony önkisülésre,

• hosszú tárolási élettartamra,

• nagy teljes energiatartalomra,

• és csak időszakosan fellépő nagyáramú impulzusokra.

Ahelyett, hogy az egész akkumulátort egy rövid kommunikációs esemény köré optimalizálnák, a rendszer elkülöníti az energia- és a teljesítményigényt.

Az ER + LIC tápegyszerendszerek tipikus alkalmazásai

Ezt a hibrid tápegyszerendszert számos akksival működtetett, csatlakoztatott termék esetében érdemes figyelembe venni, például:

Okosmérés

• Okos vízmérők

• Okos gázórák

• Okos Elektromos Mérők

• Hőmérők

Vezeték nélküli IoT-eszközök

• NB-IoT érzékelők

• LTE-M eszközök

• LoRaWAN csomópontok

• RF-kommunikációs berendezések

Nyomon követést

• GPS nyomkövető

• Eszköznyomon követő eszközök

• Logisztikai figyelőeszközök

• Távoli helymeghatározó jeladók

Ipari IoT

• Ipari érzékelők

• Távoli figyelőberendezések

• Csővezeték-figyelés

• Infrastruktúra-figyelés

• Biztonsági és riasztórendszerek

Környezeti és mezőgazdasági figyelés

• Időjárásérzékelők

• Talajfigyelő berendezések

• Mezőgazdasági IoT-eszközök

• Környezeti adatrögzítők

Miért fontos a teljes terhelési profil

Az IoT-akkumulátor megfelelő kiválasztása nem csupán a lehető legnagyobb kapacitású akkumulátor kiválasztását jelenti.

Például két eszköz is használhat NB-IoT-kommunikációt, de teljesen eltérő teljesítményigényük lehet.

Az A-eszköz például minden 24 órában elküld egy rövid üzenetet.

A B-eszköz minden 15 percenként küld üzenetet, és gyakran regisztrálja magát a hálózatban.

Még ha mindkét termék ugyanazt a kommunikációs technológiát használja is, akkumulátor-igényük nagyon eltérő lehet.

Ezért a leghasznosabb információk, amelyeket egy energiaellátási megoldás kérésekor meg kell adni, a következők:

• normál üzemi áram,

• alvóáram,

• maximális impulzusáram,

• impulzusidőt,

• kommunikációs frekvencia,

• minimális üzemi feszültséget,

• környezeti hőmérséklet-tartomány,

• célzott szolgáltatási élettartam,

• és a rendelkezésre álló akkumulátorméretek.

Ezekkel az adatokkal pontosabban értékelhető egy megfelelőbb ER-akkumulátor és LIC-kombináció.

Skálázható teljesítményplatform IoT-eszközök számára

Az ER10450 + LIC0813 és az ER34615 + LIC1840 közötti skála skálázható platformot biztosít különböző IoT-termékek méretéhez és teljesítményigényéhez.

A kisebb kombinációk kompakt, csatlakoztatott érzékelők támogatására alkalmasak, ahol a telepítési hely korlátozott.

A közepes méretű konfigurációk okos mérőműszerek, nyomon követő eszközök és általános vezeték nélküli érzékelés számára használhatók.

A nagyobb kombinációk távoli ipari eszközök üzemeltetését támogatják, amelyek hosszú üzemidejű működésre és erősebb impulzus-teljesítményre is szükséget mutatnak.

Ahelyett, hogy a telepet önálló összetevőként kezelnék, az IoT-fejlesztők értékelhetik a teljes energiarendszert a készülék tényleges üzemmódjának megfelelően.

Összegzés

A modern IoT-készülékek többet igényelnek, mint egyszerűen egy nagy kapacitású akkumulátor.

Gyakran olyan energiarendszerre van szükségük, amely hónapokig vagy évekig hatékonyan képes nagyon alacsony áramot szolgáltatni, miközben továbbra is képes rövid ideig sokkal magasabb áramot biztosítani a kommunikáció során.

Egy Li-SOCl2 ER-akkumulátor és egy lítium-ion kondenzátor kombinálása egy gyakorlati megoldást kínál mindkét követelmény kielégítésére.

Az ER-akkumulátor hosszú távú energiát biztosít.

A LIC impulzus-teljesítmény-támogatást nyújt.

A kompakt kombinációktól, például ER10450 + LIC0813 a magasabb energiatartalmú rendszerekig, például ER34615 + LIC1840 , a megfelelő megoldás a készülék tényleges állóáramától, impulzusáramától, impulzusidőtartamától, kommunikációs gyakoriságától, hőmérséklettől és szükséges élettartamtól függ.

Az IoT-akkumulátorok kiválasztásánál tehát a legfontosabb kérdés nem csupán:

„Melyik akkumulátor rendelkezik a legnagyobb kapacitással?”

Egy jobb kérdés:

„Melyik teljesítmény-kombináció illeszkedik legjobban az eszköz tényleges üzemelési profiljához?”

A Cowon egyedi ER-akkumulátor + LIC-konfigurációkat kínál különböző IoT-, okosmérő-, nyomkövető- és ipari alkalmazásokhoz a vevő elektromos és mechanikai követelményei alapján.