IoT向けER電池＋LIC：Li-SOCl₂高パルス出力ガイド

IoT向けER電池＋LIC：高パルス電力対応のLi-SOCl₂電池ソリューションの選定

スマートメーターやリモート監視、資産追跡、環境センシング、産業用オートメーションなど、さまざまな分野でIoTデバイスの導入が進むにつれ、電源設計の重要性がますます高まっています。

多くのIoTデバイスには共通する特徴があります。すなわち、平時では極めて少ない電力を消費しますが、無線モジュールが起動してデータを送信するタイミングでは、短時間に高い電流を必要とする点です。

これは設計上の課題となります。

連続的な低負荷下では優れた性能を発揮する電池でも、短時間の高電流パルスに対応するよう最適化されているとは限りません。逆に、高パルス対応のみを重視して電池を選定すると、サイズやコスト、あるいは自己放電率の増加といった不要なトレードオフを強いられる場合があります。

実用的な解決策の一つは、リチウム・チオニルクロライド（Li-SOCl₂）電池とリチウムイオンキャパシタ（LIC）を組み合わせることです。

コウオン社では、以下のような代表的な組み合わせを採用しています。

• ER10450 ＋ LIC0813

• ER14250 ＋ LIC0820

• ER14505 ＋ LIC1020

• ER26500 ＋ LIC1320

• ER34615 ＋ LIC1620

• ER34615 ＋ LIC1840

これらの組み合わせは、バッテリー駆動のIoT機器において重要な2つの要件——

長期間にわたるエネルギー供給と、短時間の高パルス電力——のバランスを取るために設計されています。

なぜIoTデバイスにはエネルギーと電力の両方が必要なのか

典型的な無線IoTデバイスは、一定の電流を消費するわけではありません。

その動作サイクルは、次のように表されることがあります。

待機 → 動作開始 → 測定 → データ送信 → 待機に戻る

待機モード中は、電流消費が極めて低くなる場合があります。

ただし、通信モジュールが起動すると、短時間で電流需要が大幅に増加することがあります。

これは、以下のような通信技術を用いる機器では一般的です：

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• ロラ

• LoRaWAN

• GPS

• RF通信

つまり、平均電流消費量だけでは、適切な電池を選定することはできません。

エンジニアは以下の要素も考慮する必要があります：

• ピーク電流、

• パルス持続時間、

• パルス周波数、

• 最低動作電圧、

• 温度

• 期待使用寿命、

• および設置可能なスペース。

電池の総エネルギー量が数年間の動作に十分であっても、送信中に電子機器の最低動作電圧を下回る電圧まで低下すると、その機器は依然として故障する可能性があります。

そこで、ER電池＋LIC（リチウムイオンキャパシタ）の組み合わせが有効になります。

ER Li-SOCl₂電池とは？

ER電池は、リチウム・チオニルクロライド（Li-SOCl₂）を化学系とする一次リチウム電池です。

通常、公称電圧は3.6Vで、以下の特長から産業用機器やIoT機器などに広く採用されています：

• 高エネルギー密度、

• 低自己放電、

• 長期保管性能

• 低電流放電時の安定した電圧特性、

• 広範囲な動作温度範囲、

• および長期間の無人運用への適合性。

一般的なER電池のサイズには以下があります：

ER10450、ER14250、ER14505、ER26500、ER34615。

小型セルは、プリント基板（PCB）上の実装スペースや製品の外形寸法が限られる場合に有効です。一方、ER26500やER34615などの大型セルは、より長い使用寿命を要するアプリケーション向けに、大幅に高いエネルギー容量を提供します。

ただし、エネルギー容量は電源システム設計の一部にすぎません。

なぜリチウムイオンキャパシタを追加するのか？

リチウムイオンキャパシタ（LIC）は、高電力補助部品として用いられます。

適切に設計されたハイブリッド電源システムでは、ER電池が機器に必要な長期的なエネルギーを供給し、LICが短時間の高電流負荷をサポートします。

この関係を簡単に理解する方法は次のとおりです。

ER電池＝長期的なエネルギー供給

LIC＝短期的なパルス電力供給

通常の待機動作中は、ER電池が低レベルのバックグラウンド電流をサポートします。

デバイスが起動し、無線モジュールが送信を開始すると、LICが負荷に必要な追加のパルス電流を供給できます。

送信終了後、システムは低消費電力状態に戻ります。

このアーキテクチャにより、高電流イベント時の電圧安定性が向上し、主電池に直接かかる電気的ストレスが軽減されます。

なぜLi-SOCl₂電池単体では不十分なのか？

Li-SOCl₂電池は、自己放電が極めて少なく、エネルギー密度が高いという特長から、長寿命を要求される用途に特に適しています。

ただし、多くの高容量ER電池は、長期にわたる低電流放電を主目的として最適化されています。

Li-SOCl₂系電池のもう一つの特徴は、パッシベーション現象です。

保管時および低電流動作時に、リチウム表面に保護膜が形成されます。この膜により、優れた長期保管特性と極めて低い自己放電率が実現されます。

ただし、特定の使用条件下、特に長期間の保管後に急激な負荷がかかると、一時的な電圧降下が生じることがあります。

単純な低消費電力回路では、この現象はそれほど問題になりません。

しかし、IoT用通信モジュールでは、一時的な電圧降下が重大な課題となる場合があります。

システム電圧がモデム、マイクロコントローラ（MCU）またはRF回路の最低動作電圧を下回ると、デバイスがリセットされるほか、ネットワークへの登録に失敗したり、データ送信を喪失したりする可能性があります。

適切に選定されたLIC（リチウムイオンコンデンサ）を追加することで、こうした瞬間的な高電流要求に対応できます。

IoT用途に応じた6種類のER＋LIC構成

さまざまなIoT製品では、エネルギー容量、パルス出力性能、物理的サイズの組み合わせ要件が異なります。

Cowon社は、さまざまなアプリケーション要件に対応するため、複数のER＋LIC構成を提供しています。

ER10450 ＋ LIC0813

このコンパクトな組み合わせは、PCBの実装面積や電池サイズが重要な検討事項となる小型IoT製品に適しています。

代表的な用途例：

• コンパクトなワイヤレスセンサー、

• 小型モニタリング装置、

• 低デューティーサイクルの送信機、

• 小型トラッキングデバイス、

• コンパクトな民生用電子機器。

システムが小型の一次電池を必要としつつも、追加のパルス出力サポートの恩恵を受ける場合に特に適しています。

ER14250 ＋ LIC0820

ER14250は、産業用電子機器およびスマートセンシング製品で広く使われる一般的な小型Li-SOCl₂電池の規格です。

LIC0820と組み合わせることで、コンパクトな外形寸法、長時間の待機動作、および周期的な無線通信という3つの要件をバランスよく満たすことができます。

応用例には以下のようなものがあります：

• スマートセンサー、

• コンパクトな計量メーター、

• セキュリティ機器、

• 遠隔監視ノード、

• 低消費電力RF機器。

ER14505 ＋ LIC1020

ER14505は、一般的なAAサイズを維持しつつ、より高いエネルギー容量を実現します。

LIC1020と組み合わせることで、小型バッテリー系よりも長期間の動作やより高い通信要求が求められるIoT製品への採用が検討できます。

代表的な用途例：

• スマート水道メーター、

• ガスメーター、

• 資産追跡デバイス、

• LoRaおよびLoRaWANノード、

• NB-IoTセンサー、

• 産業用監視システム。

ER26500 ＋ LIC1320

エネルギー需要が高まるにつれ、ER26500は長寿命の産業用IoTシステムにとって魅力的な選択肢となります。

より大容量の電池により、小型のERセルと比較して大幅に多くの利用可能なエネルギーを供給でき、またLIC1320は通信時やその他のピーク負荷発生時にシステムをサポートします。

応用例には以下のようなものがあります：

• NB-IoT監視装置、

• リモートテレメトリユニット、

• 産業用センサー、

• スマートメーター機器、

• 農業向けIoT、

• 環境監視、

• インフラ監視。

このような組み合わせは、長期間にわたって電池交換を頻繁に行わずに現場で使用されるデバイスに特に有効です。

ER34615 ＋ LIC1620

ER34615は、長寿命と高総エネルギー容量が求められる場合に多く選ばれるDサイズのリチウム・チオニルクロライド（Li-SOCl₂）電池です。

LIC1620と組み合わせることで、極めて低い待機時消費電流と周期的な高電流通信を両立させる、要求の厳しいIoTアプリケーションをサポートできます。

応用例には以下のようなものがあります：

• 長寿命スマートメーター、

• リモート監視システム、

• 産業用テレメトリー、

• GPSおよび資産追跡、

• パイプライン監視、

• 屋外用IoT機器、

• セルラー接続センサー。

ER34615 ＋ LIC1840

高エネルギー要求と厳しいパルス負荷の両方を必要とするアプリケーション向けには、ER34615＋LIC1840が別の選択肢となります。

無線通信システムまたはデバイス構成においてより強力なパルス対応が求められる場合、より大容量のLICを検討できます。

代表的な用途例：

• 高出力NB-IoTデバイス、

• LTE-M通信端末、

• 遠隔産業監視、

• 追跡デバイス、

• スマートインフラ、

• 電力・ガス・水道などの公益設備、

• 屋外用接続システム

電池とライシクル（LIC）の組み合わせは、アプリケーション名だけで選ぶのではなく、常にデバイスの実際の電気的負荷プロファイルに応じて正確に選定する必要があります。

適切なER＋LIC組み合わせの選定方法

すべてのIoTアプリケーションに最適な単一の電池組み合わせというものは存在しません。

信頼性の高い電源ソリューションを実現するには、まず実際の負荷プロファイルを正確に把握することが不可欠です。

ER電池およびLICを選定する前に、エンジニアは以下のパラメーターを評価する必要があります。

1．待機電流

デバイスのスリープ状態における消費電流はどの程度ですか？

IoTデバイスは、使用期間の大半を待機モードで過ごすことが多いため、たとえわずかな待機電流の変化でも、総合的な電池寿命に大きな影響を及ぼす可能性があります。

2．ピーク電流

モデム、ラジオ、モーター、バルブ、その他の負荷を起動する際に必要な最大電流は何Aですか？

これはLICを選定する際に最も重要なパラメーターの一つです。

3．パルス持続時間

数ミリ秒続く短いパルスと、数秒間継続する高負荷では、性質が大きく異なります。

したがって、ピーク電流とパルス持続時間は、常に併せて検討する必要があります。

4．送信頻度

デバイスはどのくらいの頻度で通信しますか？

1日1回？

1時間に1回？

数分ごと？

1日に1回だけ短いパケットを送信するデバイスと比べて、頻繁に送信を行うデバイスでは、バッテリーシステムに対する要求が大きく異なります。

5．最低動作電圧

すべての電子システムには、信頼性のある動作が保証されない最低電圧が存在します。

電源ソリューションは、最大負荷時においても十分な電圧を維持する必要があります。

6．動作温度

温度は、バッテリーの性能、パルス応答、内部抵抗および実使用可能容量に影響を与えます。

屋外や産業用IoTデバイスは、室内用電子機器とは大きく異なる環境条件にさらされることがあります。

7．必要なサービス寿命

5年間の設計と15年間の設計では、自動的に同じバッテリーを採用すべきではありません。

期待寿命は、待機電流、送信頻度、自己放電および周囲環境条件とともに総合的に評価する必要があります。

8. 設置可能なスペース

理想的な電源ソリューションは、デバイス内部に収まらなければなりません。

そのため、ER10450＋LIC0813からER34615＋LIC1840まで、さまざまな組み合わせが有効です。

LICを追加すると、バッテリーのAh容量は増加しますか？

これは重要な区別です。

通常、LICは主にERバッテリーの公称Ah容量を増加させるために追加されるものではありません。

その主な目的は、短時間のパルス負荷に対する出力性能を向上させることです。

長期的なエネルギー供給源としての主役は、引き続きERバッテリーです。

LICは、パルス負荷発生時に電力のバッファとして機能します。

したがって、予想動作寿命を算出する際には、エンジニアは引き続き、ERバッテリーの実使用可能容量と、デバイス全体の動作サイクル（デューティーサイクル）を総合的に評価する必要があります。

ERバッテリー＋LIC vs 高倍率対応バッテリー

高パルスIoTデバイスを駆動する方法はいくつかあります。

その一つは、連続およびパルス電流をより高くすることを目的として特別に設計された電池の化学組成やセル構造を用いることです。

もう一つの選択肢は、高エネルギーLi-SOCl₂セルと、LIC（リチウムイオンキャパシタ）などのパルス対応部品を組み合わせることです。

最適な選択は、用途によって異なります。

ERセル＋LICアーキテクチャは、システムが以下の条件を満たす場合に特に魅力的です：

• 極めて低い自己放電率、

• 長い待機寿命、

• 高い総エネルギー容量、

• そして、周期的に発生する高電流パルスのみが必要な場合。

短時間の通信イベントという特定の要件に合わせて電池全体を最適化する代わりに、システムはエネルギー要件と電力要件を分離します。

ER＋LIC電源システムの主な応用例

このようなハイブリッド電源アーキテクチャは、以下のようなバッテリー駆動型の接続機器に適用可能です。

スマートメータリング

• スマート水道メーター

• スマートガスメーター

• スマート電力量計

• 熱量計

ワイヤレスIoT機器

• NB-IoTセンサー

• LTE-Mデバイス

• LoRaWANノード

• RF通信機器

追跡

• GPS追跡装置

• 資産追跡デバイス

• 物流監視デバイス

• 遠隔位置ビーコン

産業用IoT

• 産業用センサー

• 遠隔監視機器

• パイプライン監視

• インフラ監視

• セキュリティおよび警報システム

環境・農業モニタリング

• 気象センサー

• 土壌監視機器

• 農業向けIoTデバイス

• 環境データロガー

完全な負荷プロファイルが重要な理由

IoT用バッテリーを正しく選ぶことは、単に可能な限り最大容量のものを選ぶだけではありません。

たとえば、2つのデバイスがともにNB-IoT通信を使用している場合でも、電力要件はまったく異なることがあります。

デバイスAは、24時間ごとに1回、短いメッセージを送信するだけかもしれません。

デバイスBは15分ごとに送信を行い、頻繁にネットワーク登録を実行するかもしれません。

両製品が同じ通信技術を採用していても、バッテリーの要件は大きく異なる可能性があります。

このため、電源ソリューションの検討依頼時に最も役立つ情報は以下のとおりです：

• 通常動作時の電流、

• スリープ時の電流、

• 最大パルス電流、

• パルス持続時間、

• 通信頻度、

• 最低動作電圧、

• 使用環境温度範囲、

• 目標使用寿命、

• および利用可能なバッテリー寸法。

これらの情報をもとに、より適したER電池とLICの組み合わせを評価できます。

IoT機器向けスケーラブルな電源プラットフォーム

ER10450＋LIC0813からER34615＋LIC1840までのバリエーションにより、さまざまなサイズや電力要件を持つIoT製品に対応できるスケーラブルなプラットフォームが実現します。

小型の組み合わせは、設置スペースが限られるコンパクトな接続型センサーに対応できます。

中規模の構成は、スマートメーター、トラッキング、および一般的な無線センシングに適しています。

大規模な構成は、長寿命と高いパルス性能の両方が求められる遠隔地の産業用機器に対応できます。

バッテリーを独立した部品として扱うのではなく、IoT開発者はデバイスの実際の動作サイクルに応じて、電源アーキテクチャ全体を評価できます。

結論

現代のIoTデバイスには、単に大容量のバッテリーがあるだけでは十分ではありません。

多くの場合、数か月から数年にわたって極めて低い電流を効率よく供給しつつ、通信時に短時間ではるかに高い電流をサポートできる電源システムが求められます。

Li-SOCl₂系ERバッテリーとリチウムイオンキャパシタ（LIC）を組み合わせることで、こうした両方の要件を満たす実用的な解決策の一つが得られます。

ERバッテリーは長期的なエネルギーを提供します。

LICはパルス電力のサポートを担います。

このような小型の組み合わせから ER10450 ＋ LIC0813 このような高エネルギー型システムまで、 ER34615 ＋ LIC1840 最適なソリューションは、デバイスの実際の待機電流、パルス電流、パルス持続時間、通信頻度、使用温度および要求される寿命によって決まります。

したがって、IoT向けバッテリー選定において最も重要な問いは単に次の通りではありません：

「どのバッテリーが最も大きな容量を持っていますか？」

より適切な質問は次のとおりです：

「どの電源組み合わせが、デバイスの実際の運用プロファイルに最も適していますか？」

Cowon社は、IoT、スマートメーター、トラッキング、産業用アプリケーションなど、用途に応じて、お客様の電気的・機械的要求に合わせたカスタマイズ可能なERバッテリー＋LIC構成をサポートします。