Bateria ER + LIC dla IoT: przewodnik po bateriach Li-SOCl2 o wysokiej mocy impulsowej

Bateria ER + kondensator litowo-jonowy do urządzeń IoT: wybór odpowiedniego rozwiązania z baterii Li-SOCl₂ o wysokiej mocy impulsowej

Wraz ze wzrostem liczby wdrażanych urządzeń IoT w inteligentnym pomiarze zużycia energii, zdalnym monitoringu, śledzeniu aktywów, czujnikach środowiskowych oraz automatyce przemysłowej projektowanie zasilania staje się coraz ważniejsze.

Wiele urządzeń IoT ma jedną wspólną cechę: większość czasu pobiera bardzo mało mocy, ale okresowo wymaga znacznie wyższego prądu, gdy moduł bezprzewodowy przełącza się w stan aktywny i przesyła dane.

Powstaje w związku z tym wyzwanie.

Bateria doskonale sprawdzająca się przy niskich, ciągłych obciążeniach nie zawsze jest zoptymalizowana pod kątem krótkotrwałych, wysokoprądowych impulsów. Z drugiej strony wybór baterii wyłącznie pod kątem wysokiej mocy impulsowej może niepotrzebnie zwiększyć jej rozmiar, koszt lub samorozład.

Jednym z praktycznych rozwiązań jest połączenie baterii litowo-tionylowej z kondensatorem litowo-jonowym.

W firmie Cowon typowymi kombinacjami są:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Te kombinacje zostały zaprojektowane tak, aby zrównoważyć dwa kluczowe wymagania w przypadku zasilanych bateryjnie urządzeń IoT:

długotrwałe zaopatrzenie w energię oraz krótkotrwałą wysoką moc impulsową.

Dlaczego urządzenia IoT potrzebują zarówno energii, jak i mocy

Typowe bezprzewodowe urządzenie IoT nie pobiera prądu w stałym tempie.

Jego cykl pracy może wyglądać następująco:

Tryb uśpienia → przebudzenie → pomiar → przesyłanie danych → powrót do trybu uśpienia

W trakcie trybu uśpienia pobór prądu może być skrajnie niski.

Gdy moduł komunikacyjny jest aktywowany, zapotrzebowanie na prąd może jednak znacznie wzrosnąć przez krótki okres.

Jest to typowe dla urządzeń wykorzystujących technologie komunikacyjne, takie jak:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• Lora.

• LoRaWAN

• GPS

• Komunikacja radiowa (RF)

Oznacza to, że średnie zużycie prądu samo w sobie nie wystarcza do wybrania odpowiedniego akumulatora.

Inżynierowie muszą również uwzględnić:

• szczytowe natężenie prądu,

• czas trwania impulsu,

• częstotliwość impulsów,

• minimalne napięcie robocze,

• temperatura,

• przewidywaną żywotność eksploatacyjną,

• i dostępna przestrzeń do instalacji.

Bateria może zawierać wystarczającą ilość energii całkowitej, aby zasilać urządzenie przez wiele lat, ale urządzenie może mimo to ulec awarii, jeśli napięcie spadnie poniżej minimalnego napięcia roboczego elektroniki podczas transmisji.

Właśnie wtedy rozwiązanie z baterią ER i kondensatorem LIC staje się przydatne.

Czym jest bateria litowo-tionylochlorokowa ER?

Baterie ER to pierwotne baterie litowe oparte na chemii litowo-tionylochlorokowej, zwykle oznaczane jako Li-SOCl₂.

Zazwyczaj zapewniają one napięcie znamionowe 3,6 V i są szeroko stosowane w sprzęcie przemysłowym oraz IoT ze względu na kilka ważnych cech:

• wysoką gęstość energii,

• niską samorozładowanie,

• długotrwałą zdolność przechowywania,

• stabilne napięcie podczas rozładowywania przy niskim prądzie,

• szeroki zakres temperatur roboczych,

• oraz przydatność do długotrwałej pracy bez nadzoru.

Popularne rozmiary baterii typu ER to:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 i ER34615.

Mniejsze ogniwa są przydatne tam, gdzie ograniczona jest powierzchnia płytki PCB oraz wymiary produktu, podczas gdy większe ogniwa, takie jak ER26500 i ER34615, zapewniają znacznie większą energię dla zastosowań wymagających dłuższego czasu użytkowania.

Jednak pojemność energetyczna stanowi jedynie część projektowania układu zasilania.

Dlaczego warto dodać kondensator litowo-jonowy?

Kondensator litowo-jonowy (LIC) stosuje się jako element wspierający o wysokiej mocy.

W prawidłowo zaprojektowanym hybrydowym układzie zasilania bateria typu ER dostarcza energii na długi okres użytkowania urządzenia, natomiast LIC wspiera krótkotrwałe okresy wysokiego poboru prądu.

Prostym sposobem zrozumienia tej zależności jest:

Bateria ER = długotrwała energia

LIC = krótkotrwała moc impulsowa

W trakcie normalnej pracy w trybie czuwania bateria ER zapewnia niski prąd tła.

Gdy urządzenie się przebudzi i moduł bezprzewodowy rozpocznie transmisję, LIC może wspomóc dostarczanie dodatkowego prądu impulsowego wymaganego przez obciążenie.

Po zakończeniu transmisji system wraca do stanu niskiej mocy.

Ta architektura może poprawić stabilność napięcia podczas zdarzeń wysokoprądowych oraz zmniejszyć obciążenie elektryczne bezpośrednio na głównej baterii.

Dlaczego nie używać wyłącznie baterii Li-SOCl2?

Baterie Li-SOCl2 są szczególnie atrakcyjne w zastosowaniach wymagających długotrwałej żywotności dzięki niskiemu samorozładowaniu i wysokiej gęstości energii.

Jednak wiele komórek ER o dużej pojemności jest zoptymalizowanych głównie pod kątem długotrwałego, niskoprądowego rozładowania.

Inną cechą chemii Li-SOCl2 jest pasywacja.

Podczas przechowywania i pracy przy niskim prądzie na powierzchni litu tworzy się warstwa ochronna. Warstwa ta przyczynia się do doskonałych właściwości magazynowania oraz niskiego samorozładowania akumulatora.

Jednak w niektórych warunkach eksploatacyjnych, zwłaszcza po długotrwałym przechowywaniu, nagła zmiana obciążenia może spowodować chwilowy spadek napięcia.

Dla prostego obwodu o niskiej mocy może to nie mieć znaczenia.

Dla modułu komunikacyjnego IoT jednak chwilowy spadek napięcia może być krytyczny.

Jeśli napięcie systemowe spadnie poniżej minimalnego napięcia roboczego modemu, mikrokontrolera (MCU) lub obwodu RF, urządzenie może zostać zresetowane, nie zarejestrować się w sieci lub utracić transmisję danych.

Dodanie odpowiednio dobranego kondensatora LIC może pomóc zapewnić krótkotrwały prąd wymagany w takich sytuacjach.

Sześć konfiguracji ER + LIC dla różnych wymagań IoT

Różne produkty IoT wymagają różnych kombinacji pojemności energii, zdolności impulsowych oraz rozmiaru fizycznego.

Cowon oferuje wiele konfiguracji ER + LIC, aby spełnić różne wymagania aplikacyjne.

ER10450 + LIC0813

Ta kompaktowa kombinacja jest odpowiednia dla miniatury produktów IoT, gdzie istotne są ograniczona powierzchnia płytki PCB oraz rozmiar baterii.

Typowe zastosowania mogą obejmować:

• kompaktowe czujniki bezprzewodowe,

• małe urządzenia do monitoringu,

• nadajniki o niskim cyklu pracy,

• małe urządzenia do śledzenia,

• kompaktowa elektronika użytkowa.

Jest szczególnie odpowiednia, gdy system wymaga małej baterii pierwotnej, ale nadal korzysta z dodatkowego wsparcia impulsowego.

ER14250 + LIC0820

ER14250 to powszechnie stosowany kompaktowy akumulator typu Li-SOCl₂, używany w elektronice przemysłowej i produktach inteligentnego czujnikowania.

W połączeniu z LIC0820 zapewnia przydatny kompromis między kompaktowymi wymiarami, długotrwałym trybem czuwania oraz okresową komunikacją bezprzewodową.

Potencjalne zastosowania obejmują:

• inteligentne czujniki,

• kompaktowe liczniki użytkowe,

• urządzenia bezpieczeństwa,

• węzły zdalnego monitoringu,

• urządzenia RF o niskim poborze mocy.

ER14505 + LIC1020

ER14505 oferuje wyższą pojemność energetyczną przy zachowaniu powszechnie znanego formatu baterii typu AA.

W połączeniu z LIC1020 tę konfigurację można rozważyć w przypadku produktów IoT wymagających dłuższego czasu pracy lub większego zapotrzebowania na komunikację niż mniejsze systemy bateryjne.

Typowe zastosowania mogą obejmować:

• inteligentne liczniki wody,

• liczniki gazu,

• urządzenia do śledzenia aktywów,

• Węzły LoRa i LoRaWAN,

• Czujniki NB-IoT,

• systemy przemysłowego monitoringu.

ER26500 + LIC1320

W miarę wzrostu zapotrzebowania na energię element ER26500 staje się atrakcyjną opcją dla przemysłowych systemów IoT o długim czasie życia.

Większy akumulator zapewnia znacznie więcej dostępnej energii niż kompaktowe ogniwa ER, podczas gdy LIC1320 wspiera system podczas komunikacji lub innych zdarzeń obciążenia szczytowego.

Potencjalne zastosowania obejmują:

• Urządzenia monitorujące NB-IoT,

• zdalne jednostki telematyczne,

• czujniki przemysłowe,

• sprzęt do inteligentnego pomiaru zużycia energii,

• rolnicze systemy IoT,

• monitoring środowiskowy,

• monitoring infrastruktury.

Tego typu połączenie jest szczególnie przydatne w przypadku urządzeń przeznaczonych do długotrwałego użytku w terenie bez konieczności częstej wymiany baterii.

ER34615 + LIC1620

ER34615 to ogniwo litowo-tioksiwkowe o rozmiarze D, często wybierane wtedy, gdy kluczowe są długi okres użytkowania i duża całkowita pojemność energii.

W połączeniu z LIC1620 umożliwia obsługę wymagających aplikacji IoT łączących bardzo niskie zużycie energii w stanie czuwania z okresowymi transmisjami danych wymagającymi wysokiego prądu.

Potencjalne zastosowania obejmują:

• inteligentne liczniki o długim okresie użytkowania,

• zdalne systemy monitoringu,

• telemetria przemysłowa,

• GPS oraz śledzenie aktywów,

• monitoring rurociągów,

• zewnętrzne urządzenia IoT,

• czujniki połączone komórkowo.

ER34615 + LIC1840

Dla aplikacji o wysokich wymaganiach energetycznych oraz bardziej wymagających obciążeniach impulsowych ER34615 + LIC1840 stanowi alternatywną opcję.

Większy kondensator LIC można rozważyć w przypadku systemów komunikacji bezprzewodowej lub architektur urządzeń wymagających silniejszego wsparcia dla obciążeń impulsowych.

Typowe zastosowania mogą obejmować:

• urządzenia NB-IoT o wysokiej mocy,

• Terminale komunikacyjne LTE-M,

• zdalne monitorowanie przemysłowe,

• urządzenia śledzące,

• inteligentna infrastruktura,

• sprzęt użyteczności publicznej,

• zewnętrzne połączone systemy.

Dokładna kombinacja baterii ER i kondensatora LIC powinna zawsze być dobierana na podstawie rzeczywistego profilu elektrycznego urządzenia, a nie wyłącznie na podstawie nazwy zastosowania.

Jak wybrać odpowiednią kombinację ER + LIC

Nie istnieje jedna uniwersalna kombinacja baterii idealna dla każdego zastosowania IoT.

Niezawodne rozwiązanie zasilania zaczyna się od zrozumienia rzeczywistego profilu obciążenia.

Przed wybraniem baterii ER i kondensatora LIC inżynierowie powinni ocenić następujące parametry.

1. Prąd w stanie czuwania

Ile prądu pobiera urządzenie w trybie uśpienia?

Ponieważ urządzenia IoT mogą spędzać większość swojego okresu użytkowania w trybie czuwania, nawet niewielka zmiana prądu w tym trybie może znacząco wpłynąć na całkowitą żywotność baterii.

2. Prąd szczytowy

Jaki jest najwyższy prąd wymagany podczas aktywowania modemu, radia, silnika, zaworu lub innego obciążenia?

Jest to jeden z najważniejszych parametrów przy doborze LIC.

3. Czas trwania impulsu

Krótki impuls trwający kilka milisekund znacznie różni się od obciążenia utrzymującego się na wysokim poziomie przez kilka sekund.

Dlatego szczytowy prąd i czas trwania impulsu należy rozpatrywać łącznie.

4. Częstotliwość transmisji

Jak często urządzenie komunikuje się?

Raz dziennie?

Raz na godzinę?

Co kilka minut?

Urządzenie przesyłające dane często może stawiać zupełnie inne wymagania wobec systemu akumulatorów niż urządzenie wysyłające jeden krótki pakiet danych dziennie.

5. Minimalne napięcie robocze

Każdy system elektroniczny ma minimalne napięcie, poniżej którego nie można zagwarantować niezawodnej pracy.

Rozwiązanie zasilania musi utrzymywać wystarczające napięcie w warunkach największego obciążenia.

6. Temperatura robocza

Temperatura wpływa na wydajność akumulatora, zachowanie impulsowe, opór wewnętrzny oraz użyteczną pojemność.

Urządzenia IoT przeznaczone do zastosowań zewnętrznych i przemysłowych mogą działać w warunkach znacznie różniących się od tych, w jakich pracują urządzenia elektroniczne w pomieszczeniach.

7. Wymagana żywotność

Projekt zaprojektowany na pięć lat i projekt zaprojektowany na piętnaście lat nie powinny automatycznie korzystać z tego samego akumulatora.

Oczekiwany czas życia należy oceniać łącznie z prądem stanu czuwania, częstotliwością transmisji, samorozładowaniem oraz warunkami środowiskowymi.

8. Dostępna przestrzeń montażowa

Idealne rozwiązanie elektryczne musi nadal zmieścić się wewnątrz urządzenia.

Dlatego przydatne są różne kombinacje, od ER10450 + LIC0813 po ER34615 + LIC1840.

Czy LIC zwiększa pojemność Ah baterii?

Jest to istotna różnica.

LIC zwykle nie jest dodawany głównie w celu zwiększenia nominalnej pojemności Ah baterii ER.

Głównym celem jest poprawa dostawy mocy w krótkotrwałych impulsach.

Bateria ER pozostaje głównym źródłem energii na dłuższy czas.

LIC działa jako bufor mocy podczas zdarzeń obciążenia impulsowego.

Dlatego przy obliczaniu przewidywanej długości życia urządzenia inżynierowie powinni nadal oceniać użyteczną pojemność baterii ER wraz z pełnym cyklem pracy urządzenia.

Bateria ER + LIC kontra bateria o wysokiej wydajności

Istnieje kilka sposobów zasilania urządzenia IoT generującego wysokie impulsy.

Jedną z opcji jest użycie chemii baterii lub konstrukcji ogniw zaprojektowanych specjalnie do wyższego prądu ciągłego i impulsowego.

Inną opcją jest połączenie ogniwa litowo-tlenku siarki (Li-SOCl₂) o wysokiej gęstości energii z komponentem wspierającym impulsy, takim jak kondensator litowo-jonowy (LIC).

Poprawny wybór zależy od konkretnego zastosowania.

Architektura ER + LIC może być szczególnie atrakcyjna, gdy system wymaga:

• bardzo niskiego samorozładowania,

• długiego czasu pracy w trybie czuwania,

• wysokiej całkowitej pojemności energii,

• oraz jedynie okresowych impulsów wysokoprądowych.

Zamiast zoptymalizować całą baterię pod kątem krótkiego zdarzenia komunikacyjnego, system oddziela wymagania dotyczące energii od wymagań dotyczących mocy.

Typowe zastosowania systemów zasilania ER + LIC

Ten typ hybrydowej architektury zasilania może być rozważany w przypadku wielu urządzeń zasilanych bateryjnie i wyposażonych w łączność, w tym:

Pomiar inteligentny

• Inteligentne wodomierze

• Inteligentne liczniki gazu

• Inteligentne Liczniki Elektryczne

• Liczniki ciepła

Bezprzewodowe urządzenia IoT

• Czujniki NB-IoT

• Urządzenia LTE-M

• Węzły LoRaWAN

• Sprzęt komunikacji radiowej

Śledzenie

• Lokalizatory GPS

• Urządzenia do śledzenia aktywów

• Urządzenia do monitorowania logistyki

• Beacony do zdalnego lokalizowania

Przemysłowy Internet Rzeczy

• Czujniki przemysłowe

• Urządzenia do zdalnego monitoringu

• Monitorowanie rurociągów

• Monitorowanie infrastruktury

• Systemy zabezpieczeń i alarmowe

Monitorowanie środowiska i rolnictwa

• Czujniki pogody

• Urządzenia do monitorowania gleby

• Urządzenia IoT dla rolnictwa

• Rejestrary danych środowiskowych

Dlaczego pełny profil obciążenia ma znaczenie

Wybór odpowiedniego akumulatora IoT nie sprowadza się po prostu do wybrania największej możliwej pojemności.

Na przykład dwa urządzenia mogą korzystać z komunikacji NB-IoT, ale mieć zupełnie różne wymagania dotyczące mocy.

Urządzenie A może przesyłać jedną krótką wiadomość co 24 godziny.

Urządzenie B może przesyłać dane co 15 minut i często rejestrować się w sieci.

Nawet jeśli oba produkty wykorzystują tę samą technologię komunikacji, ich wymagania dotyczące baterii mogą być bardzo różne.

Z tego powodu najbardziej przydatnymi informacjami podawanymi przy zapytaniu o rozwiązanie zasilania są:

• prąd pracy normalnej,

• prąd stanu uśpienia,

• maksymalny prąd impulsowy,

• czas trwania impulsu,

• częstotliwość komunikacji,

• minimalne napięcie robocze,

• zakres temperatur otoczenia,

• przewidywana żywotność eksploatacyjna,

• oraz dostępne wymiary akumulatora.

Dzięki tym informacjom można dokonać bardziej odpowiedniej oceny kombinacji akumulatora ER i kondensatora LIC.

Skalowalna platforma zasilania dla urządzeń IoT

Zakres od ER10450 + LIC0813 do ER34615 + LIC1840 tworzy skalowalną platformę dla różnych rozmiarów produktów IoT oraz wymagań energetycznych.

Mniejsze kombinacje mogą obsługiwać zwarte czujniki połączone, gdzie przestrzeń montażowa jest ograniczona.

Konfiguracje średnie mogą służyć do inteligentnego pomiaru, śledzenia oraz ogólnego bezprzewodowego czujnikowania.

Większe kombinacje mogą obsługiwać zdalne urządzenia przemysłowe wymagające zarówno długiej żywotności eksploatacyjnej, jak i wyższej wydajności impulsowej.

Zamiast traktować baterię jako samodzielny komponent, deweloperzy IoT mogą oceniać pełną architekturę zasilania zgodnie z rzeczywistym cyklem pracy urządzenia.

Podsumowanie

Nowoczesne urządzenia IoT wymagają czegoś więcej niż tylko baterii o dużej pojemności.

Często wymagają one systemu zasilania zdolnego do dostarczania bardzo małego prądu z wysoką wydajnością przez miesiące lub lata, a jednocześnie wspierającego krótkotrwałe okresy znacznie wyższego prądu podczas komunikacji.

Połączenie baterii Li-SOCl₂ ER z kondensatorem litowo-jonowym stanowi jedną z praktycznych metod spełnienia obu tych wymagań.

Bateria ER zapewnia długotrwałą energię.

Kondensator LIC zapewnia wsparcie dla impulsów mocy.

Od kompaktowych kombinacji takich jak ER10450 + LIC0813 do systemów o wyższej energii takich jak ER34615 + LIC1840 , odpowiednie rozwiązanie zależy od rzeczywistego prądu czuwania urządzenia, prądu impulsowego, czasu trwania impulsu, częstotliwości komunikacji, temperatury oraz wymaganego czasu życia.

W kontekście doboru baterii do urządzeń IoT najważniejszym pytaniem nie jest więc po prostu:

„Które ogniwo ma największą pojemność?”

Lepszym pytaniem jest:

„Który układ mocy najlepiej odpowiada rzeczywistemu profilowi pracy urządzenia?”

Cowon może zapewnić niestandardowe konfiguracje akumulatorów ER oraz kondensatorów LIC dla różnych zastosowań w zakresie IoT, inteligentnego pomiaru energii, śledzenia i przemysłu, dostosowane do elektrycznych i mechanicznych wymagań klienta.