ER-batteri + LIC for IoT: Li-SOCl2-høyimpulsstrøm-veiledning

ER-batteri + LIC for IoT: Å velge riktig Li-SOCl2-løsning med høy pulskraft

Ettersom flere IoT-enheter blir satt i drift innenfor smart måling, fjernovervåking, eiendomsregistrering, miljømåling og industriell automatisering, har strømtilførselen blitt stadig viktigere.

Mange IoT-enheter har én felles egenskap: De bruker svært lite strøm de fleste tiden, men krever periodisk mye høyere strøm når trådløsmodulen våkner og sender data.

Dette skaper en utfordring.

Et batteri som presterer utmerket under lave, kontinuerlige belastninger, er ikke alltid optimalt for korte, høystrømspulser. På den andre siden kan å velge et batteri utelukkende for høy pulskraft unødig øke størrelsen, kostnaden eller selvdiskontinuiteten.

En praktisk løsning er å kombinere et litium-thionylklorid-batteri med en litium-ion-kondensator.

Ved Cowon inkluderer typiske kombinasjoner:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Disse kombinasjonene er utformet for å balansere to viktige krav i batteridrevne IoT-utstyr:

langvarig energiforsyning og kortvarig høy pulskraft.

Hvorfor IoT-enheter trenger både energi og effekt

En typisk trådløs IoT-enhet forbruker ikke strøm med en konstant hastighet.

Dens driftssyklus kan se slik ut:

Sover → Våkner → Måler → Sender data → Går tilbake i søvn

Under søvntilstand kan strømforbruket være ekstremt lavt.

Når kommunikasjonsmodulen er aktivert, kan strømforbruket imidlertid øke betydelig i en kort periode.

Dette er vanlig i enheter som bruker kommunikasjonsteknologier som:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora

• LoRaWAN

• GPS

• RF-kommunikasjon

Dette betyr at gjennomsnittlig strømforbruk alene ikke er tilstrekkelig for å velge riktig batteri.

Ingeniører må også ta hensyn til:

• toppstrøm,

• pulsvarighet,

• pulsfrekvens,

• minste driftsspenning,

• temperaturkravene,

• forventet levetid,

• og tilgjengelig installasjonsplass.

En batteri kan inneholde nok total energi til å drive en enhet i mange år, men enheten kan likevel svikte hvis spenningen faller under den elektronikkens minimale driftsspenning under overføring.

Det er der en ER-batteri + LIC-løsning blir nyttig.

Hva er et ER Li-SOCl2-batteri?

ER-batterier er primære litiumbatterier basert på litiumtionskloridkjemi, vanligvis skrevet som Li-SOCl2.

De gir typisk en nominell spenning på 3,6 V og brukes mye i industriell utstyr og IoT-utstyr på grunn av flere viktige egenskaper:

• høy energitetthet,

• lav selvutladning,

• lang lagringskapasitet,

• stabilt spenningsnivå under utladning med lav strøm,

• bred driftstemperaturkapasitet,

• og egnet for langvarig ubemannet drift.

Vanlige ER-batteristørrelser inkluderer:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 og ER34615.

Mindre celler er nyttige når PCB-plassen og produktets dimensjoner er begrenset, mens større celler som ER26500 og ER34615 gir betydelig mer energi for applikasjoner som krever lengre levetid.

Energi kapasitet er imidlertid bare en del av kraftsystemdesignet.

Hvorfor legge til en litium-ion-kondensator?

En litium-ion-kondensator (LIC) brukes som en komponent for støtte av høy effekt.

I et riktig designet hybridkraftsystem leverer ER-batteriet den langvarige energien som enheten trenger, mens LIC-en støtter korte perioder med høy strømforbruk.

En enkel måte å forstå forholdet er:

ER-batteri = Langsiktig energi

LIC = Kortvarig pulskraft

Under normal standby-drift støtter ER-batteriet den lave bakgrunnsstrømmen.

Når enheten våkner og trådløsmodulen begynner å overføre, kan LIC hjelpe med å levere den ekstra pulskraften som belastningen krever.

Etter overføringshendelsen går systemet tilbake til sin lavstrømtilstand.

Denne arkitekturen kan bidra til bedre spenningsstabilitet under høystrømhendelser og redusere den elektriske belastningen på det primære batteriet.

Hvorfor ikke bruke et Li-SOCl2-batteri alene?

Li-SOCl2-batterier er spesielt attraktive for applikasjoner som krever lang driftstid, på grunn av deres lave selvutladning og høye energitetthet.

Mange høykapasitets ER-celler er imidlertid først og fremst optimalisert for langsiktig, lavstrømutsending.

Et annet kjennetegn ved Li-SOCl2-kjemi er passivering.

Under lagring og drift med lav strøm dannes et beskyttende lag på litiumoverflaten. Dette laget bidrar til batteriets fremragende lagringsegenskaper og lave selvutladning.

Under visse driftsforhold, spesielt etter lengre lagring, kan en plutselig økning i belastning imidlertid føre til en midlertidig spenningsfall.

For en enkel lavstrømkrets kan dette ikke være avgjørende.

For en IoT-kommunikasjonsmodul kan imidlertid et midlertidig spenningsfall være kritisk.

Hvis systemspenningen faller under minimumsdriftsspenningen til modemmet, MCU-en eller RF-kretsen, kan enheten nullstilles, mislykkes med å registrere seg på nettverket eller miste en datatransmisjon.

Å legge til en riktig valgt LIC kan hjelpe med å levere den kortevarige strømmen som kreves under slike hendelser.

Seks ER + LIC-konfigurasjoner for ulike IoT-krav

Ulike IoT-produkter krever ulike kombinasjoner av energikapasitet, pulsytelse og fysisk størrelse.

Cowon tilbyr flere ER + LIC-konfigurasjoner for å dekke ulike bruksområder.

ER10450 + LIC0813

Denne kompakte kombinasjonen er egnet for mikro-IoT-produkter der PCB-plass og batteristørrelse er viktige hensyn.

Typiske applikasjoner inkluderer:

• kompakte trådløse sensorer,

• små overvåkningsenheter,

• transmittere med lav driftssyklus,

• små sporingssystemer,

• kompakt bruksutstyr.

Den er spesielt egnet når systemet krever et lite primærbatteri, men likevel drar nytte av ekstra pulsstøtte.

ER14250 + LIC0820

ER14250 er en vanlig kompakt Li-SOCl2-størrelse som brukes i industrielektronikk og smarte sensorteknologier.

Når den kombineres med LIC0820, gir den en nyttig balanse mellom kompakte dimensjoner, lang standby-drift og periodisk trådløs kommunikasjon.

Mulige anvendelser inkluderer:

• smarte sensorer,

• kompakte bruksmålere,

• sikkerhetsenheter,

• fjernovervåkningsnoder,

• lavstrøm-RF-enheter.

ER14505 + LIC1020

ER14505 tilbyr høyere energikapasitet samtidig som den beholder et kjent AA-størrelsesformat.

I kombinasjon med LIC1020 kan denne konfigurasjonen vurderes for IoT-produkter som krever en lengre driftstid eller større kommunikasjonsbehov enn mindre batterisystemer.

Typiske applikasjoner inkluderer:

• smarte vannmålere,

• gassmålere,

• aktiva sporingsenheter,

• LoRa- og LoRaWAN-noder,

• NB-IoT-sensorer,

• industrielle overvåkingssystemer.

ER26500 + LIC1320

Når energikravene øker, blir ER26500 et attraktivt valg for industrielle IoT-systemer med lang levetid.

Den større batteriet gir betydelig mer tilgjengelig energi enn kompakte ER-celler, mens LIC1320 støtter systemet under kommunikasjon eller andre hendelser med høy belastning.

Mulige anvendelser inkluderer:

• NB-IoT-overvåkingsenheter,

• fjern-telemetrienheter,

• industrielle sensorer,

• smartmålerutstyr,

• landbrukets IoT,

• miljøovervåking,

• infrastrukturmonitorering.

Denne typen kombinasjon er spesielt nyttig for enheter som forventes å forbli i feltet i lengre tid uten hyppig batteribytte.

ER34615 + LIC1620

ER34615 er et D-størrelses-Li-SOCl2-batteri som ofte velges når lang levetid og høy total energi er viktige.

I kombinasjon med LIC1620 kan det støtte krevende IoT-applikasjoner som kombinerer svært lav standbyforbruk med periodisk kommunikasjon ved høy strøm.

Mulige anvendelser inkluderer:

• langsiktede intelligente målere,

• fjernovervåkingssystemer,

• industriell telemetri,

• GPS- og eiendomsregistrering,

• rørledningsovervåking,

• utendørs IoT-utstyr,

• mobilkobla sensorar.

ER34615 + LIC1840

For applikasjonar med både høg energiforbruk og meir krevjande pulsbelastningar tilbyr ER34615 + LIC1840 eit anna alternativ.

Den større LIC kan vurderast når trådløs kommunikasjonsystem eller utstyrarkitektur krev sterkare pulsstøtte.

Typiske applikasjoner inkluderer:

• høgtytande NB-IoT-utstyr,

• LTE-M-kommunikasjonsterminalar,

• fjernindustriell overvaking,

• sporingsutstyr,

• smart infrastruktur,

• nøytalutstyr,

• utendørs tilkoblede systemer.

Den nøyaktige kombinasjonen av ER-batteri og LIC skal alltid velges ut fra den reelle elektriske profilen til enheten, ikke bare ut fra applikasjonsnavnet.

Hvordan velge riktig ER + LIC-kombinasjon

Det finnes ingen enkelt batterikombinasjon som er ideell for alle IoT-applikasjoner.

En pålitelig strømforsyningsløsning starter med å forstå den faktiske belastningsprofilen.

Før en ER-batteri og LIC velges, bør ingeniører vurdere følgende parametere.

1. Standby-strøm

Hvor mye strøm forbruker enheten i dvalemodus?

Siden IoT-enheter kan bruke det meste av sin levetid i dvalemodus, kan selv en liten endring i dvalestrømmen ha betydelig innvirkning på total batterilevetid.

2. Toppspissstrøm

Hva er den høyeste strømmen som kreves når modem, radio, motor, ventil eller annen belastning aktiveres?

Dette er en av de viktigste parameterne ved valg av LIC.

3. Pulslengde

En kort puls som varer noen millisekunder er svært annerledes enn en belastning som forblir høy i flere sekunder.

Toppspenning og pulslengde må derfor vurderes sammen.

4. Transmisjonsfrekvens

Hvor ofte kommuniserer enheten?

Én gang per dag?

Én gang per time?

Hver få minutter?

En enhet som sender ofte kan stille helt andre krav til batterisystemet enn en enhet som sender ett kort pakket per dag.

5. Minste driftsspenning

Alle elektroniske systemer har en minste spenning under hvilken pålitelig drift ikke kan garanteres.

Strømforsyningsløsningen må opprettholde tilstrekkelig spenning under den høyeste belastningsbetingelsen.

6. Driftstemperatur

Temperatur påvirker batteriytelse, pulsoppførsel, indre motstand og bruksbar kapasitet.

Utendørs- og industrielle IoT-enheter kan oppleve helt andre forhold enn innendørs elektronikk.

7. Ønsket levetid

En femårig konstruksjon og en femtenårig konstruksjon bør ikke automatisk bruke samme batteri.

Forventet levetid må vurderes sammen med hvilestrøm, sendefrekvens, selvutladning og miljøforhold.

8. Tilgjengelig installasjonsplass

Den ideelle elektriske løsningen må fortsatt få plass inni enheten.

Derfor er flere kombinasjoner nyttige, fra ER10450 + LIC0813 til ER34615 + LIC1840.

Øker en LIC batteriets Ah-kapasitet?

Dette er en viktig forskjell.

En LIC legges vanligvis ikke til primært for å øke den nominelle Ah-kapasiteten til ER-batteriet.

Hovedformålet er å forbedre kraftleveransen over korte tidsrom.

ER-batteriet forblir den primære energikilden på lang sikt.

LIC-en fungerer som en kraftbuffer under pulslasthendelser.

Derfor bør ingeniører ved beregning av forventet levetid fortsatt vurdere den bruksbare kapasiteten til ER-batteriet sammen med hele enhetens driftssyklus.

ER-batteri + LIC versus høyratebatteri

Det fins flere måter å drive en IoT-enhet med høy puls på.

Én mulighet er å bruke en batterikjemi eller cellekonstruksjon som er spesielt utformet for høyere kontinuerlig og pulskurrent.

En annen mulighet er å kombinere en Li-SOCl2-celle med høy energitetthet med en pulsstøttdel, for eksempel en LIC.

Den riktige valget avhenger av anvendelsen.

En ER + LIC-arkitektur kan være spesielt attraktiv når systemet trenger:

• svært lav egenutladning,

• lang standby-levetid,

• høy total energi,

• og kun periodiske pulser med høy strøm.

I stedet for å optimere hele batteriet rundt en kort kommunikasjonsbegivenhet, skiller systemet energikravet fra effektkravet.

Typiske anvendelser for ER + LIC-strømsystemer

Denne typen hybridstrøm-arkitektur kan vurderes for mange batteridrevne tilkoblede produkter, inkludert:

Smart måling

• Intelligente vannmålere

• Smarte gassmålere

• Smarte strømmålere

• Varmemålere

Trådløse IoT-enheter

• NB-IoT-sensorer

• LTE-M-enheter

• LoRaWAN-noder

• RF-kommunikasjonsutstyr

Sporing

• GPS-sporere

• Aktivitetssporingsenheter

• Logistikkovervåkingsenheter

• Fjernplasseringsbaken

Industriell IoT

• Industrielle sensorer

• Fjernovervåkningsutstyr

• Rørledningsmonitorering

• Infrastrukturmonitorering

• Sikkerhets- og alarmsystemer

Miljø- og landbruksmonitorering

• Værsensorer

• Jordovervåkningsutstyr

• Landbruks-IoT-enheter

• Miljødataloggere

Hvorfor hele lastprofilen er viktig

Å velge riktig IoT-batteri handler ikke bare om å velge størst mulig kapasitet.

For eksempel kan to enheter begge bruke NB-IoT-kommunikasjon, men ha fullstendig ulike strømkrav.

Enhet A kan sende én kort melding hver 24. time.

Enhet B kan sende meldinger hver 15. minutt og utføre hyppig nettverksregistrering.

Selv om begge produktene bruker samme kommunikasjonsteknologi, kan batterikravene deres være svært ulike.

Av denne grunnen er følgende informasjon mest nyttig å oppgi når man ber om en strømløsning:

• normal driftsstrøm,

• dvalestrøm,

• maksimal pulsstrøm,

• pulsvarighet,

• kommunikasjonsfrekvens,

• minste driftsspenning,

• miljøtemperaturområde,

• forventet levetid,

• og tilgjengelige batteristørrelser.

Med denne informasjonen kan en mer egnet ER-batteri- og LIC-kombinasjon vurderes.

En skalerbar strømplattform for IoT-enheter

Rekkevidden fra ER10450 + LIC0813 til ER34615 + LIC1840 skaper en skalerbar plattform for ulike IoT-produktstørrelser og effektbehov.

Mindre kombinasjoner kan støtte kompakte tilkoblede sensorer der monteringsplassen er begrenset.

Konfigurasjoner i mellomstørrelse kan brukes til smart måling, sporing og generell trådløs sensing.

Større kombinasjoner kan støtte fjerne industrielle enheter som krever både lang driftstid og bedre pulsytelse.

I stedet for å behandle batteriet som en selvstendig komponent, kan IoT-utviklere vurdere hele strøm-arkitekturen ut fra enhetens faktiske driftssyklus.

Konklusjon

Moderne IoT-enheter krever mer enn bare et batteri med stor kapasitet.

De krever ofte et strømsystem som kan levere svært lav strøm effektivt i måneder eller år, samtidig som det fortsatt støtter korte perioder med mye høyere strøm under kommunikasjon.

Å kombinere et Li-SOCl2-ER-batteri med en litium-ion-kondensator gir én praktisk måte å oppfylle begge kravene på.

ER-batteriet leverer energi over lang tid.

LIC-en leverer støtte til pulsstrøm.

Fra kompakte kombinasjoner som ER10450 + LIC0813 til systemer med høyere energi som ER34615 + LIC1840 , avhenger den riktige løsningen av enhetens faktiske hvilestrøm, pulsstrøm, pulsvarighet, kommunikasjonsfrekvens, temperatur og nødvendig levetid.

For valg av batteri til IoT er den viktigste spørsmålet derfor ikke bare:

«Hvilket batteri har størst kapasitet?»

Et bedre spørsmål er:

«Hvilken strømkombinasjon passer best med den reelle driftsprofilen til enheten?»

Cowon kan støtte tilpassede ER-batteri + LIC-konfigurasjoner for ulike IoT-, smartmåler-, sporings- og industrielle applikasjoner basert på kundens elektriske og mekaniske krav.