Batteria ER + LIC per IoT: Guida alle batterie Li-SOCl2 ad alta potenza impulsiva

Batteria ER + LIC per IoT: scelta della soluzione Li-SOCl2 ad alta potenza a impulsi

Con il crescente impiego di dispositivi IoT nel settore della misurazione intelligente, del monitoraggio remoto, del tracciamento delle risorse, della rilevazione ambientale e dell’automazione industriale, la progettazione dell’alimentazione è diventata sempre più importante.

Molti dispositivi IoT condividono una caratteristica comune: consumano pochissima energia nella maggior parte del tempo, ma richiedono periodicamente una corrente molto più elevata quando il modulo wireless si attiva e trasmette i dati.

Ciò genera una sfida.

Una batteria che offre prestazioni eccellenti sotto carichi continui bassi non è necessariamente ottimizzata per impulsi brevi ma ad alta corrente. D’altro canto, scegliere una batteria esclusivamente in base alla capacità di erogare impulsi elevati può comportare un aumento indesiderato delle dimensioni, dei costi o dell’auto-scarica.

Una soluzione pratica consiste nel combinare una batteria al litio-tionilcloruro con un condensatore a ione litio.

Presso Cowon, le combinazioni tipiche includono:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Queste combinazioni sono progettate per bilanciare due requisiti fondamentali nei dispositivi IoT alimentati a batteria:

fornitura energetica a lungo termine e potenza impulsiva elevata di breve durata.

Perché i dispositivi IoT necessitano sia di energia sia di potenza

Un tipico dispositivo IoT wireless non assorbe corrente a regime costante.

Il suo ciclo operativo potrebbe essere il seguente:

Riposo → Risveglio → Misurazione → Trasmissione dati → Ritorno al riposo

Durante la modalità di riposo, il consumo di corrente può essere estremamente basso.

Tuttavia, quando il modulo di comunicazione è attivato, la richiesta di corrente può aumentare significativamente per un breve periodo.

Questo fenomeno è comune nei dispositivi che utilizzano tecnologie di comunicazione quali:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LoRa

• LoRaWAN

• GPS

• Comunicazione RF

Ciò significa che il semplice consumo medio di corrente non è sufficiente per selezionare la batteria corretta.

Gli ingegneri devono inoltre considerare:

• la corrente di picco,

• la durata dell’impulso,

• la frequenza degli impulsi,

• la tensione minima di funzionamento,

• temperatura,

• la durata operativa prevista,

• e lo spazio di installazione disponibile.

Una batteria può contenere energia sufficiente per far funzionare un dispositivo per molti anni, ma il dispositivo può comunque guastarsi se la tensione scende al di sotto della tensione minima di funzionamento dell'elettronica durante la trasmissione.

È qui che una soluzione con batteria ER + LIC risulta utile.

Che cos'è una batteria ER al litio-tionilcloruro?

Le batterie ER sono batterie primarie al litio basate sulla chimica litio-tionilcloruro, comunemente indicata come Li-SOCl2.

Forniscono tipicamente una tensione nominale di 3,6 V e sono ampiamente utilizzate in apparecchiature industriali e IoT grazie a diverse caratteristiche importanti:

• alta densità energetica,

• bassa autodiscarica,

• lunga capacità di stoccaggio,

• tensione stabile durante lo scaricamento a bassa intensità,

• ampia capacità di funzionamento su un intervallo di temperature,

• e idoneità a un funzionamento non sorvegliato a lungo termine.

Le dimensioni più comuni delle batterie ER sono:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 ed ER34615.

Le celle più piccole risultano utili quando lo spazio disponibile sulla scheda a circuito stampato (PCB) e le dimensioni del prodotto sono limitate, mentre le celle più grandi, come l’ER26500 e l’ER34615, forniscono un’energia significativamente maggiore per applicazioni che richiedono una maggiore durata operativa.

Tuttavia, la capacità energetica rappresenta soltanto una parte della progettazione del sistema di alimentazione.

Perché aggiungere un condensatore a ioni di litio?

Un condensatore a ioni di litio (LIC) viene utilizzato come componente di supporto ad alta potenza.

In un sistema ibrido di alimentazione progettato correttamente, la batteria ER fornisce l’energia a lungo termine necessaria al dispositivo, mentre il LIC contribuisce a soddisfare brevi periodi di elevata richiesta di corrente.

Un modo semplice per comprendere tale relazione è:

Batteria ER = Energia a lungo termine

LIC = Potenza impulsiva a breve termine

Durante il funzionamento normale in standby, la batteria ER fornisce corrente di fondo bassa.

Quando il dispositivo si risveglia e il modulo wireless inizia la trasmissione, la LIC può fornire la corrente impulsiva aggiuntiva richiesta dal carico.

Dopo l’evento di trasmissione, il sistema ritorna nel suo stato a basso consumo.

Questa architettura può contribuire a migliorare la stabilità della tensione durante eventi ad alta corrente e a ridurre lo stress elettrico diretto sulla batteria primaria.

Perché non utilizzare una sola batteria Li-SOCl2?

Le batterie Li-SOCl2 sono particolarmente interessanti per applicazioni che richiedono una lunga durata operativa, grazie alla loro bassa autodiscarica e all’elevata densità energetica.

Tuttavia, molte celle ER ad alta capacità sono ottimizzate principalmente per scariche prolungate a bassa corrente.

Un’altra caratteristica della chimica Li-SOCl2 è la passivazione.

Durante lo stoccaggio e il funzionamento a bassa corrente, si forma uno strato protettivo sulla superficie del litio. Questo strato contribuisce alle eccellenti caratteristiche di stoccaggio e alla bassa autoscarica della batteria.

Tuttavia, in determinate condizioni operative, specialmente dopo un prolungato stoccaggio, un improvviso aumento del carico può causare una caduta temporanea di tensione.

Per un semplice circuito a bassa potenza, questo potrebbe non essere rilevante.

Per un modulo di comunicazione IoT, invece, la caduta temporanea di tensione può risultare critica.

Se la tensione del sistema scende al di sotto della tensione minima di funzionamento del modem, della MCU o del circuito RF, il dispositivo potrebbe resettarsi, non riuscire a registrarsi sulla rete oppure perdere una trasmissione dati.

L’aggiunta di un LIC opportunamente selezionato può aiutare a fornire la corrente di breve durata richiesta durante questi eventi.

Sei configurazioni ER + LIC per diverse esigenze IoT

I diversi prodotti IoT richiedono combinazioni differenti di capacità energetica, capacità di erogazione di impulsi e dimensioni fisiche.

Cowon offre diverse configurazioni ER + LIC per soddisfare differenti requisiti applicativi.

ER10450 + LIC0813

Questa combinazione compatta è adatta a prodotti IoT miniaturizzati, dove lo spazio sulla scheda a circuito stampato (PCB) e le dimensioni della batteria sono fattori importanti.

Le applicazioni tipiche possono includere:

• sensori wireless compatti,

• dispositivi di monitoraggio di piccole dimensioni,

• trasmettitori a basso ciclo di utilizzo,

• dispositivi di tracciamento di piccole dimensioni,

• elettronica per uso generale compatta.

È particolarmente adatta quando il sistema richiede una batteria primaria di piccole dimensioni, pur beneficiando comunque di un supporto aggiuntivo per impulsi.

ER14250 + LIC0820

ER14250 è una comune dimensione compatta di batteria Li-SOCl₂ utilizzata nell’elettronica industriale e nei prodotti per sensing intelligente.

Abbinata alla LIC0820, fornisce un utile compromesso tra dimensioni compatte, lunga durata in modalità standby e comunicazione wireless periodica.

Le potenziali applicazioni includono:

• sensor intelligenti,

• contatori compatti,

• dispositivi di sicurezza,

• nodi di monitoraggio remoto,

• dispositivi RF a basso consumo energetico.

ER14505 + LIC1020

ER14505 offre una maggiore capacità energetica mantenendo un formato familiare di tipo AA.

Abbinato a LIC1020, questa configurazione può essere presa in considerazione per prodotti IoT che richiedono un periodo operativo più lungo o una maggiore richiesta comunicativa rispetto ai sistemi batteria più piccoli.

Le applicazioni tipiche possono includere:

• contatori intelligenti dell’acqua,

• contatori del gas,

• dispositivi di tracciamento asset,

• Nodi LoRa e LoRaWAN,

• Sensori NB-IoT,

• sistemi di monitoraggio industriale.

ER26500 + LIC1320

Con l’aumento dei requisiti energetici, la ER26500 diventa un’opzione interessante per i sistemi industriali IoT a lunga durata.

La batteria più grande fornisce un’energia disponibile notevolmente maggiore rispetto alle celle ER compatte, mentre la LIC1320 supporta il sistema durante le comunicazioni o altri eventi di carico di picco.

Le potenziali applicazioni includono:

• Dispositivi di monitoraggio NB-IoT,

• unità di telemetria remota,

• sensori industriali,

• apparecchiature per misurazione intelligente,

• ioT agricolo,

• monitoraggio ambientale,

• monitoraggio delle infrastrutture.

Questo tipo di abbinamento è particolarmente utile per dispositivi destinati a rimanere sul campo per lunghi periodi senza sostituzioni frequenti della batteria.

ER34615 + LIC1620

ER34615 è una batteria al litio-solfuro di cloro di formato D comunemente scelta quando sono fondamentali lunga durata e elevata energia totale.

Abbinata alla LIC1620, può supportare applicazioni IoT esigenti che combinano un consumo in stand-by molto basso con comunicazioni ad alta corrente periodiche.

Le potenziali applicazioni includono:

• contatori intelligenti a lunga durata,

• sistemi di monitoraggio remoto,

• telemetria industriale,

• GPS e tracciamento di asset,

• monitoraggio di condotte,

• attrezzature IoT per esterni,

• sensori con connettività cellulare.

ER34615 + LIC1840

Per applicazioni con elevate esigenze energetiche e carichi impulsivi più impegnativi, ER34615 + LIC1840 offre un’altra opzione.

Il supercondensatore LIC di dimensioni maggiori può essere preso in considerazione quando il sistema di comunicazione wireless o l’architettura del dispositivo richiede un supporto impulsivo più robusto.

Le applicazioni tipiche possono includere:

• dispositivi NB-IoT ad alta potenza,

• Terminali di comunicazione LTE-M,

• monitoraggio industriale remoto,

• dispositivi di tracciamento,

• infrastrutture intelligenti,

• attrezzature per servizi pubblici,

• sistemi connessi per esterni.

La combinazione esatta di batteria e LIC deve sempre essere selezionata in base al profilo elettrico reale del dispositivo, non soltanto in base al nome dell’applicazione.

Come selezionare la giusta combinazione ER + LIC

Non esiste una singola combinazione di batterie ideale per ogni applicazione IoT.

Una soluzione di alimentazione affidabile parte dalla comprensione del profilo di carico effettivo.

Prima di selezionare una batteria ER e un LIC, gli ingegneri devono valutare i seguenti parametri.

1. Corrente di standby

Quanta corrente consuma il dispositivo in modalità di sospensione?

Poiché i dispositivi IoT possono trascorrere la maggior parte della loro vita operativa in modalità di standby, anche una piccola variazione della corrente di riposo può influenzare in modo significativo la durata complessiva della batteria.

2. Corrente di picco

Qual è la corrente massima richiesta quando il modem, la radio, il motore, la valvola o un altro carico vengono attivati?

Questo è uno dei parametri più importanti nella selezione del LIC.

3. Durata dell’impulso

Un impulso breve della durata di pochi millisecondi è molto diverso da un carico che rimane elevato per diversi secondi.

La corrente di picco e la durata dell’impulso devono quindi essere considerate congiuntamente.

4. Frequenza di trasmissione

Con quale frequenza il dispositivo comunica?

Una volta al giorno?

Una volta all’ora?

Ogni pochi minuti?

Un dispositivo che trasmette frequentemente può richiedere al sistema batteria esigenze molto diverse rispetto a un dispositivo che invia un singolo pacchetto breve al giorno.

5. Tensione minima di funzionamento

Ogni sistema elettronico ha una tensione minima al di sotto della quale non è possibile garantire un funzionamento affidabile.

La soluzione di alimentazione deve mantenere una tensione sufficiente durante la condizione di carico massimo.

6. Temperatura di funzionamento

La temperatura influisce sulle prestazioni della batteria, sul comportamento degli impulsi, sulla resistenza interna e sulla capacità utilizzabile.

I dispositivi IoT per esterni e industriali possono essere sottoposti a condizioni molto diverse rispetto all’elettronica per interni.

7. Durata di servizio richiesta

Un progetto con durata prevista di cinque anni e uno con durata prevista di quindici anni non devono necessariamente utilizzare automaticamente la stessa batteria.

La durata prevista deve essere valutata considerando congiuntamente la corrente di standby, la frequenza di trasmissione, l’auto scarica e le condizioni ambientali.

8. Spazio disponibile per l’installazione

La soluzione elettrica ideale deve comunque rientrare nel dispositivo.

Questo è il motivo per cui risultano utili diverse combinazioni, da ER10450 + LIC0813 a ER34615 + LIC1840.

Un LIC aumenta la capacità Ah della batteria?

Questa è una distinzione importante.

Normalmente un LIC non viene aggiunto principalmente per incrementare la capacità nominale Ah della batteria ER.

Lo scopo principale è migliorare la fornitura di potenza su brevi durate.

La batteria ER rimane la fonte energetica primaria per impieghi prolungati.

Il LIC funge da buffer di potenza durante eventi di carico impulsivo.

Pertanto, nel calcolo della durata operativa prevista, gli ingegneri devono comunque valutare la capacità utilizzabile della batteria ER insieme all’intero ciclo di impiego del dispositivo.

Batteria ER + LIC rispetto a batteria ad alta velocità di scarica

Esistono diversi modi per alimentare un dispositivo IoT ad alta potenza impulsiva.

Un'opzione consiste nell'utilizzare una chimica batterica o una costruzione di celle specificamente progettata per correnti continue e impulsive più elevate.

Un'altra opzione consiste nel combinare una cella Li-SOCl2 ad alta energia con un componente di supporto impulsivo, come un LIC.

La scelta corretta dipende dall'applicazione.

Un'architettura ER + LIC può risultare particolarmente vantaggiosa quando il sistema richiede:

• autoscarica molto bassa,

• lunga vita in stand-by,

• elevata energia totale,

• e solo impulsi periodici ad alta corrente.

Invece di ottimizzare l'intera batteria intorno a un breve evento di comunicazione, il sistema separa il requisito energetico da quello di potenza.

Applicazioni tipiche per i sistemi di alimentazione ER + LIC

Questo tipo di architettura ibrida di alimentazione può essere presa in considerazione per molti prodotti connessi alimentati a batteria, tra cui:

Contatori intelligenti

• Contatori intelligenti dell'acqua

• Contatori del gas intelligenti

• Contatori intelligenti di elettricità

• Contatori del calore

Internet delle cose senza fili

• Sensori NB-IoT

• Dispositivi LTE-M

• Nodi LoRaWAN

• Apparecchiature per comunicazioni RF

Tracciamento

• Traccianti GPS

• Dispositivi per il tracciamento di beni

• Dispositivi di monitoraggio della logistica

• Fari di localizzazione remota

Internet delle Cose Industriale

• Sensori industriali

• Apparecchiature di monitoraggio remoto

• Monitoraggio delle Tubazioni

• Monitoraggio delle infrastrutture

• Sistemi di sicurezza e allarme

Monitoraggio ambientale e agricolo

• Sensori meteorologici

• Apparecchiature per il monitoraggio del suolo

• Dispositivi IoT agricoli

• Registratore di dati ambientali

Perché il profilo di carico completo è fondamentale

Scegliere la batteria IoT corretta non equivale semplicemente a selezionare la capacità più grande possibile.

Ad esempio, due dispositivi potrebbero entrambi utilizzare la comunicazione NB-IoT ma avere requisiti di alimentazione completamente diversi.

Il dispositivo A potrebbe trasmettere un breve messaggio ogni 24 ore.

Il dispositivo B potrebbe trasmettere ogni 15 minuti ed eseguire frequenti registrazioni sulla rete.

Anche se entrambi i prodotti utilizzano la stessa tecnologia di comunicazione, i loro requisiti in termini di batteria possono essere molto diversi.

Per questo motivo, le informazioni più utili da fornire quando si richiede una soluzione di alimentazione includono:

• corrente di funzionamento normale,

• corrente in modalità sleep,

• corrente di picco massima,

• la durata dell’impulso,

• frequenza di comunicazione,

• la tensione minima di funzionamento,

• intervallo di temperatura ambientale,

• durata di servizio prevista,

• e dimensioni disponibili della batteria.

Con queste informazioni, è possibile valutare una combinazione più adatta tra batteria ER e condensatore a doppio strato (LIC).

Una piattaforma di alimentazione scalabile per dispositivi IoT

La gamma che va da ER10450 + LIC0813 a ER34615 + LIC1840 costituisce una piattaforma scalabile per diverse dimensioni di prodotti IoT e differenti esigenze di potenza.

Le combinazioni più piccole possono supportare sensori connessi compatti, dove lo spazio disponibile per l’installazione è limitato.

Le configurazioni di media taglia possono essere utilizzate per sistemi di misurazione intelligente, tracciamento e rilevazione wireless generica.

Le combinazioni più grandi possono supportare dispositivi industriali remoti che richiedono sia una lunga durata operativa sia prestazioni impulsive più elevate.

Invece di considerare la batteria come un componente autonomo, gli sviluppatori IoT possono valutare l’intera architettura di alimentazione in base al ciclo di lavoro effettivo del dispositivo.

Conclusione

I dispositivi IoT moderni richiedono più di una semplice batteria con elevata capacità.

Spesso necessitano di un sistema di alimentazione in grado di erogare correnti molto basse in modo efficiente per mesi o anni, pur supportando brevi periodi di correnti molto più elevate durante le comunicazioni.

Combinare una batteria ER al litio-solfuro di cloro (Li-SOCl2) con un condensatore a ione litio (Lithium-Ion Capacitor, LIC) rappresenta un approccio pratico per soddisfare entrambi i requisiti.

La batteria ER fornisce energia a lungo termine.

Il LIC fornisce supporto per impulsi di potenza.

Dalle combinazioni compatte come ER10450 + LIC0813 ai sistemi ad energia superiore come ER34615 + LIC1840 , la soluzione ottimale dipende dalla corrente di standby effettiva del dispositivo, dalla corrente d’impulso, dalla durata degli impulsi, dalla frequenza delle comunicazioni, dalla temperatura e dalla durata di servizio richiesta.

Per la scelta della batteria nei dispositivi IoT, la domanda più importante non è quindi semplicemente:

«Quale batteria ha la capacità maggiore?»

Una domanda migliore è:

«Quale combinazione di potenza corrisponde meglio al profilo operativo reale del dispositivo?»

Cowon può supportare configurazioni personalizzate di batterie ER + LIC per diverse applicazioni IoT, smart metering, tracciamento e industriali, in base ai requisiti elettrici e meccanici del cliente.