ER-batterij + LIC voor IoT: Li-SOCl2-batterij met hoog stroompiekvermogen – handleiding

ER-batterij + LIC voor IoT: De juiste Li-SOCl2-oplossing met hoog pulsmacht kiezen

Naarmate er meer IoT-apparaten worden ingezet voor slimme metering, afstandsmonitoring, asset tracking, milieusensing en industriële automatisering, wordt het stroomontwerp steeds belangrijker.

Veel IoT-apparaten delen één kenmerk: ze verbruiken meestal zeer weinig stroom, maar vereisen periodiek een veel hogere stroom wanneer de draadloze module wakker wordt en gegevens verzendt.

Dit vormt een uitdaging.

Een batterij die uitzonderlijk goed presteert bij lage continue belastingen, is niet altijd geoptimaliseerd voor korte, hoge stroompulsen. Aan de andere kant kan het kiezen van een batterij uitsluitend op basis van hoog pulsmacht leiden tot onnodige toename van afmeting, kosten of zelfontlading.

Een praktische oplossing is het combineren van een lithium-thionylchloridebatterij met een lithium-ioncondensator.

Bij Cowon omvatten typische combinaties:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Deze combinaties zijn ontworpen om twee belangrijke eisen voor IoT-apparatuur met batterijvoeding in evenwicht te brengen:

langdurige energievoorziening en kortdurende, hoge pulsmacht.

Waarom IoT-apparaten zowel energie als vermogen nodig hebben

Een typisch draadloos IoT-apparaat verbruikt geen stroom met een constant debiet.

De werkcyclustijd kan er als volgt uitzien:

Slapen → Ontwaken → Meten → Gegevens verzenden → Terugkeren naar slaapmodus

Tijdens de slaapmodus kan het stroomverbruik extreem laag zijn.

Wanneer de communicatiemodule wordt geactiveerd, kan de stroombehoefte echter gedurende een korte periode aanzienlijk toenemen.

Dit komt veelvuldig voor bij apparaten die communicatietechnologieën gebruiken zoals:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LoRa

• LoRaWAN

• GPS-systeem

• RF-communicatie

Dit betekent dat het gemiddelde stroomverbruik alleen niet voldoende is om de juiste batterij te selecteren.

Ingenieurs moeten ook rekening houden met:

• piekstroom,

• pulsduur,

• pulsfrequentie,

• minimale bedrijfsspanning,

• temperatuur,

• verwachte levensduur,

• en de beschikbare installatieruimte.

Een batterij kan voldoende totale energie bevatten om een apparaat gedurende vele jaren te laten functioneren, maar het apparaat kan toch uitvallen als de spanning tijdens de overdracht onder de minimale bedrijfsspanning van de elektronica daalt.

Daar komt een ER-batterij + LIC-oplossing van pas.

Wat is een ER Li-SOCl2-batterij?

ER-batterijen zijn primaire lithiumbatterijen op basis van lithium-thionylchloridechemie, meestal genoteerd als Li-SOCl2.

Ze leveren doorgaans een nominale spanning van 3,6 V en worden veel gebruikt in industriële en IoT-apparatuur vanwege verschillende belangrijke kenmerken:

• hoge energiedichtheid,

• lage zelfontlading,

• lange opslagcapaciteit,

• stabiele spanning tijdens ontlading met lage stroom,

• brede bedrijfstemperatuurcapaciteit,

• en geschiktheid voor langdurige, onbewaakte werking.

Veelvoorkomende ER-batterijformaten zijn:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 en ER34615.

Kleinere cellen zijn nuttig wanneer de PCB-ruimte en de afmetingen van het product beperkt zijn, terwijl grotere cellen zoals de ER26500 en ER34615 aanzienlijk meer energie leveren voor toepassingen die een langere levensduur vereisen.

Energiecapaciteit is echter slechts één onderdeel van het ontwerp van het energiesysteem.

Waarom een lithium-ioncondensator toevoegen?

Een lithium-ioncondensator (LIC) wordt gebruikt als component voor ondersteuning bij hoog vermogen.

In een goed ontworpen hybride energiesysteem levert de ER-batterij de langdurige energie die het apparaat nodig heeft, terwijl de LIC korte pieken in stroomvraag ondersteunt.

Een eenvoudige manier om de relatie te begrijpen is:

ER-accu = langdurige energie

LIC = kortstondig piekvermogen

Tijdens normale standbywerking ondersteunt de ER-accu de lage achtergrondstroom.

Wanneer het apparaat wakker wordt en de draadloze module begint met verzenden, kan de LIC de extra piekstroom leveren die door de belasting wordt vereist.

Na het verzendgebeurtenis keert het systeem terug naar zijn laagvermogensstand.

Deze architectuur kan helpen de spanningsstabiliteit tijdens hoogstroomgebeurtenissen te verbeteren en de elektrische belasting op de primaire accu te verminderen.

Waarom geen Li-SOCl2-accu alleen gebruiken?

Li-SOCl2-accu's zijn bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij een lange levensduur vereist is, vanwege hun lage zelfontlading en hoge energiedichtheid.

Veel ER-cellen met hoge capaciteit zijn echter voornamelijk geoptimaliseerd voor langdurige, laagstroomontlading.

Een ander kenmerk van Li-SOCl2-chemie is passivering.

Tijdens opslag en laagstroombedrijf vormt zich een beschermende laag op het lithiumoppervlak. Deze laag draagt bij aan de uitstekende opslageigenschappen en lage zelfontlading van de batterij.

Onder bepaalde bedrijfsomstandigheden, met name na langdurige opslag, kan een plotselinge belastingtoename echter een tijdelijke spanningsdaling veroorzaken.

Voor een eenvoudige laagvermogensschakeling is dit mogelijk niet van belang.

Voor een IoT-communicatiemodule is een tijdelijke spanningsdaling echter kritiek.

Als de systeemspanning onder de minimale bedrijfsspanning van de modem, MCU of RF-schakeling daalt, kan het apparaat opnieuw opstarten, niet registreren bij het netwerk of een datatransmissie verliezen.

Het toevoegen van een goed gekozen LIC kan helpen om de kortdurende stroom te leveren die tijdens deze gebeurtenissen nodig is.

Zes ER + LIC-configuraties voor verschillende IoT-eisen

Verschillende IoT-producten vereisen verschillende combinaties van energiecapaciteit, pulscapaciteit en fysieke afmetingen.

Cowon biedt meerdere ER + LIC-configuraties aan om verschillende toepassingsvereisten te dekken.

ER10450 + LIC0813

Deze compacte combinatie is geschikt voor miniatuur-IoT-producten waarbij PCB-ruimte en batterijgrootte belangrijke overwegingen zijn.

Typische toepassingen zijn onder andere:

• compacte draadloze sensoren,

• kleine bewakingsapparaten,

• zenders met lage duty cycle,

• kleine trackingapparaten,

• compacte hulpelektronica.

Het is bijzonder geschikt wanneer het systeem een kleine primaire batterij vereist, maar toch profiteert van extra pulsondersteuning.

ER14250 + LIC0820

ER14250 is een veelgebruikte compacte Li-SOCl2-afmeting die wordt toegepast in industriële elektronica en slimme sensortechnologie.

In combinatie met LIC0820 biedt het een nuttig evenwicht tussen compacte afmetingen, lange stand-by-tijd en periodieke draadloze communicatie.

Mogelijke toepassingen zijn:

• slimme sensoren,

• compacte nutsmeters,

• beveiligingsapparaten,

• afstandsmonitoringknooppunten,

• laagvermogens-RF-apparaten.

ER14505 + LIC1020

De ER14505 biedt een hogere energiecapaciteit terwijl het een vertrouwd AA-formaat behoudt.

In combinatie met de LIC1020 kan deze configuratie worden overwogen voor IoT-producten die een langere bedrijfsduur of grotere communicatiebehoeften hebben dan kleinere batterijsystemen.

Typische toepassingen zijn onder andere:

• slimme watermeters,

• gasmeters,

• activatietrackingapparaten,

• LoRa- en LoRaWAN-knooppunten,

• NB-IoT-sensoren,

• industriële bewakingssystemen.

ER26500 + LIC1320

Naarmate de energiebehoeften stijgen, wordt de ER26500 een aantrekkelijke optie voor langlevende industriële IoT-systemen.

De grotere batterij levert aanzienlijk meer beschikbare energie dan compacte ER-cellen, terwijl de LIC1320 het systeem ondersteunt tijdens communicatie of andere piekbelastinggebeurtenissen.

Mogelijke toepassingen zijn:

• NB-IoT-bewakingsapparaten,

• afstands-telemetrie-eenheden,

• industriële sensoren,

• slimme meteringapparatuur,

• landbouw-IoT,

• milieumonitoring,

• infrastructuurmonitoring.

Dit type combinatie is bijzonder geschikt voor apparaten die gedurende langere tijd in het veld moeten blijven zonder dat de batterij vaak hoeft te worden vervangen.

ER34615 + LIC1620

ER34615 is een D-formaat Li-SOCl2-batterij die vaak wordt gekozen wanneer een lange levensduur en een hoog totaal energievermogen belangrijk zijn.

In combinatie met LIC1620 kan deze geschikt zijn voor veeleisende IoT-toepassingen die zeer lage stand-by-stroomverbruik combineren met periodieke communicatie bij hoge stroom.

Mogelijke toepassingen zijn:

• langlevende slimme meters,

• afstandsmonitoringssystemen,

• industriële telemetrie,

• GPS- en assettracking,

• pijpleidingmonitoring,

• buitenshuis IoT-apparatuur,

• sensoren met celverbinding.

ER34615 + LIC1840

Voor toepassingen met zowel hoge energiebehoeften als strengere piekbelastingen biedt ER34615 + LIC1840 een alternatief.

De grotere LIC kan worden overwogen wanneer het draadloze communicatiesysteem of de apparaatarchitectuur sterkere piekondersteuning vereist.

Typische toepassingen zijn onder andere:

• apparaten met hoogvermogen voor NB-IoT,

• LTE-M-communicatieterminals,

• afstandsindustriële bewaking,

• volgapparaten,

• slimme infrastructuur,

• nutsapparatuur,

• buitenkant verbonden systemen.

De exacte combinatie van ER-batterij en LIC moet altijd worden geselecteerd op basis van het werkelijke elektrische profiel van het apparaat, niet alleen op basis van de toepassingsnaam.

Hoe de juiste ER + LIC-combinatie te kiezen

Er bestaat geen enkele batterijcombinatie die ideaal is voor elke IoT-toepassing.

Een betrouwbare stroomoplossing begint met het begrijpen van het werkelijke belastingsprofiel.

Voordat een ER-batterij en LIC worden geselecteerd, moeten ingenieurs de volgende parameters beoordelen.

1. Stroom in stand-by

Hoeveel stroom verbruikt het apparaat tijdens de slaapstand?

Aangezien IoT-apparaten een groot deel van hun levensduur in stand-by-modus doorbrengen, kan zelfs een kleine verandering in de slaapstroom een aanzienlijk effect hebben op de totale levensduur van de batterij.

2. Piekstroom

Wat is de hoogste stroom die vereist is wanneer de modem, radio, motor, klep of een andere belasting wordt ingeschakeld?

Dit is een van de belangrijkste parameters bij het selecteren van de LIC.

3. Pulsduur

Een korte puls van enkele milliseconden verschilt sterk van een belasting die gedurende meerdere seconden hoog blijft.

Piekestroom en pulsdauer moeten daarom samen worden bekeken.

4. Transmissiefrequentie

Hoe vaak communiceert het apparaat?

Eén keer per dag?

Eén keer per uur?

Elke paar minuten?

Een apparaat dat vaak verzendt, kan heel andere eisen stellen aan het batterijssysteem dan een apparaat dat één kort pakket per dag verstuurt.

5. Minimale bedrijfsspanning

Elk elektronisch systeem heeft een minimale spanning waaronder betrouwbare werking niet gegarandeerd kan worden.

De stroomoplossing moet tijdens de zwaarste belasting voldoende spanning behouden.

6. Bedrijfstemperatuur

Temperatuur beïnvloedt de batterijprestaties, het pulsgedrag, de inwendige weerstand en de bruikbare capaciteit.

IoT-apparaten voor buitengebruik en industriële toepassingen kunnen heel andere omstandigheden ondervinden dan elektronica voor binnengebruik.

7. Vereiste levensduur

Een ontwerp voor vijf jaar en een ontwerp voor vijftien jaar moeten niet automatisch dezelfde batterij gebruiken.

De verwachte levensduur moet worden beoordeeld in combinatie met de stand-by-stroom, de verzendfrequentie, het zelfontladen en de omgevingsomstandigheden.

8. Beschikbare installatieruimte

De ideale elektrische oplossing moet nog steeds in het apparaat passen.

Daarom zijn meerdere combinaties, van ER10450 + LIC0813 tot ER34615 + LIC1840, nuttig.

Verhoogt een LIC de Ah-capaciteit van de batterij?

Dit is een belangrijk onderscheid.

Een LIC wordt normaliter niet voornamelijk toegevoegd om de nominale Ah-capaciteit van de ER-batterij te vergroten.

Het hoofddoel is de levering van kortdurende vermogens te verbeteren.

De ER-batterij blijft de primaire energiebron op lange termijn.

De LIC fungeert als een vermogensbuffer tijdens pulslastgebeurtenissen.

Bij het berekenen van de verwachte levensduur moeten ingenieurs daarom nog steeds de bruikbare capaciteit van de ER-batterij evalueren in combinatie met de volledige werkcycli van het apparaat.

ER-batterij + LIC versus hoogvermogensbatterij

Er zijn verschillende manieren om een IoT-apparaat met hoge pulsen van stroom te voorzien.

Een optie is het gebruik van een batterijchemie of celconstructie die specifiek is ontworpen voor hogere continue en pulsstroom.

Een andere optie is het combineren van een Li-SOCl2-cel met hoge energiedichtheid met een component voor pulsondersteuning, zoals een LIC.

De juiste keuze hangt af van de toepassing.

Een ER + LIC-architectuur kan bijzonder aantrekkelijk zijn wanneer het systeem behoefte heeft aan:

• zeer lage zelfontlading,

• lange stand-by-levenstijd,

• hoge totale energie,

• en slechts periodieke pulsen met hoge stroom.

In plaats van de gehele batterij te optimaliseren rondom een korte communicatiegebeurtenis, wordt in het systeem de energiebehoefte gescheiden van de vermogensbehoefte.

Typische toepassingen voor ER + LIC-energiesystemen

Dit type hybride energiearchitectuur kan worden overwogen voor talloze batterijgevoede verbonden producten, waaronder:

Slimme meteroplossingen

• Slimme watertellers

• Slimme gasmeters

• Slimme Elektriciteitsmeters

• Warmtemeters

Draadloze IoT

• NB-IoT-sensoren

• LTE-M-apparaten

• LoRaWAN-knooppunten

• RF-communicatieapparatuur

Volgen

• GPS-trackers

• Asset-trackingapparaten

• Logistieke bewakingsapparaten

• Afstandslocatiebakenen

Industrieel IoT

• Industriële sensoren

• Afstandsbewakingsapparatuur

• Pijpleiding Monitoring

• Infrastructuurbewaking

• Beveiligings- en alarmsystemen

Milieu- en landbouwbewaking

• Weersensoren

• Grondbewakingsapparatuur

• Landbouw-IoT-apparaten

• Milieudataloggers

Waarom het volledige belastingsprofiel belangrijk is

Het kiezen van de juiste IoT-batterij is niet eenvoudigweg een kwestie van de grootst mogelijke capaciteit selecteren.

Bijvoorbeeld: twee apparaten gebruiken mogelijk allebei NB-IoT-communicatie, maar hebben volkomen verschillende stroomvereisten.

Apparaat A zendt mogelijk één kort bericht elke 24 uur.

Apparaat B zendt mogelijk elke 15 minuten en voert frequente netwerkregistraties uit.

Zelfs als beide producten dezelfde communicatietechnologie gebruiken, kunnen hun batterijvereisten sterk verschillen.

Om deze reden is de meest nuttige informatie om te verstrekken bij het aanvragen van een stroomoplossing onder meer:

• normale bedrijfsstroom,

• slaapstroom,

• maximale pulsstroom,

• pulsduur,

• communicatiefrequentie,

• minimale bedrijfsspanning,

• omgevingstemperatuurbereik,

• doellevensduur,

• en beschikbare batterijafmetingen.

Met deze informatie kan een geschiktere ER-batterij en LIC-combinatie worden beoordeeld.

Een schaalbaar stroomplatform voor IoT-apparaten

De reeks van ER10450 + LIC0813 tot ER34615 + LIC1840 vormt een schaalbaar platform voor verschillende IoT-productformaten en stroomvereisten.

Kleinere combinaties kunnen compacte verbonden sensoren ondersteunen waarbij de installatieruimte beperkt is.

Configuraties van middelgroot formaat kunnen dienen voor slimme metering, tracking en algemene draadloze sensing.

Grotere combinaties kunnen afgelegen industriële apparaten ondersteunen die zowel een lange levensduur als een sterke pulsprestatie vereisen.

In plaats van de batterij als een zelfstandig onderdeel te behandelen, kunnen IoT-ontwikkelaars de volledige stroomarchitectuur beoordelen op basis van de werkelijke bedrijfscyclus van het apparaat.

Conclusie

Moderne IoT-apparaten vereisen meer dan alleen een batterij met een grote capaciteit.

Vaak is een energiesysteem nodig dat zeer lage stromen efficiënt kan leveren gedurende maanden of jaren, terwijl het tegelijkertijd korte perioden met veel hogere stromen tijdens communicatie kan ondersteunen.

De combinatie van een Li-SOCl₂-ER-batterij met een lithium-ioncondensator (LIC) biedt één praktische manier om aan beide eisen tegemoet te komen.

De ER-batterij levert langdurige energie.

De LIC levert ondersteuning voor pulsstroom.

Van compacte combinaties zoals ER10450 + LIC0813 tot systemen met hogere energie-inhoud zoals ER34615 + LIC1840 , hangt de juiste oplossing af van de werkelijke stand-by-stroom, de pulsstroom, de pulsduratie, de frequentie van communicatie, de temperatuur en de vereiste levensduur van het apparaat.

Bij de keuze van een batterij voor IoT is de belangrijkste vraag daarom niet eenvoudigweg:

“Welke batterij heeft de grootste capaciteit?”

Een betere vraag is:

“Welke vermogenscombinatie past het beste bij het werkelijke bedrijfsprofiel van het apparaat?”

Cowon kan aangepaste ER-batterij + LIC-configuraties ondersteunen voor verschillende IoT-, slimme-metering-, tracking- en industriële toepassingen, gebaseerd op de elektrische en mechanische vereisten van de klant.