Bateria ER + LIC para IoT: Guia de Alta Potência por Pulso com Li-SOCl2

Bateria ER + LIC para IoT: Escolhendo a Solução de Alta Potência por Pulso Li-SOCl2 Adequada

À medida que mais dispositivos IoT são implantados em medição inteligente, monitoramento remoto, rastreamento de ativos, sensores ambientais e automação industrial, o projeto de alimentação tornou-se cada vez mais importante.

Muitos dispositivos IoT têm uma característica em comum: consomem muito pouca energia na maior parte do tempo, mas periodicamente exigem uma corrente muito maior quando o módulo sem fio é ativado e transmite dados.

Isso cria um desafio.

Uma bateria que apresenta desempenho excepcional sob cargas contínuas baixas nem sempre está otimizada para pulsos curtos de alta corrente. Por outro lado, escolher uma bateria apenas pela capacidade de pulso elevado pode aumentar desnecessariamente o tamanho, o custo ou a autodescarga.

Uma solução prática consiste em combinar uma bateria de lítio-tionila cloreto com um capacitor de íon-lítio.

Na Cowon, as combinações típicas incluem:

• ER10450 + LIC0813

• ER14250 + LIC0820

• ER14505 + LIC1020

• ER26500 + LIC1320

• ER34615 + LIC1620

• ER34615 + LIC1840

Essas combinações foram concebidas para equilibrar dois requisitos importantes em equipamentos IoT alimentados por bateria:

fornecimento de energia a longo prazo e potência de pulso elevada de curta duração.

Por que os dispositivos IoT necessitam tanto de energia quanto de potência

Um dispositivo IoT sem fio típico não consome corrente a uma taxa constante.

Seu ciclo operacional pode ser assim:

Modo de espera → Ativação → Medição → Transmissão de dados → Retorno ao modo de espera

Durante o modo de espera, o consumo de corrente pode ser extremamente baixo.

Quando o módulo de comunicação é ativado, contudo, a demanda de corrente pode aumentar significativamente por um curto período.

Isso é comum em dispositivos que utilizam tecnologias de comunicação tais como:

• NB-IoT

• LTE-M

• GSM

• LORA

• LoRaWAN

• GPS

• Comunicação RF

Isso significa que o consumo médio de corrente, por si só, não é suficiente para selecionar a bateria correta.

Os engenheiros também precisam considerar:

• corrente de pico,

• duração do pulso,

• frequência do pulso,

• tensão mínima de operação,

• temperatura,

• vida útil esperada,

• e o espaço de instalação disponível.

Uma bateria pode conter energia total suficiente para operar um dispositivo por muitos anos, mas o dispositivo ainda pode falhar se a tensão cair abaixo da tensão mínima de operação da eletrônica durante a transmissão.

É aí que uma solução com bateria ER + LIC se torna útil.

O que é uma bateria primária Li-SOCl2 ER?

As baterias ER são baterias primárias de lítio baseadas na química cloreto de tionila de lítio, comumente escrita como Li-SOCl2.

Normalmente fornecem uma tensão nominal de 3,6 V e são amplamente utilizadas em equipamentos industriais e de IoT devido a várias características importantes:

• alta densidade energética,

• baixa autodescarga,

• capacidade de armazenamento prolongada,

• tensão estável durante descarga de baixa taxa,

• capacidade ampla de operação em temperatura,

• e adequação para operação não supervisionada a longo prazo.

Os tamanhos comuns de baterias ER incluem:

ER10450, ER14250, ER14505, ER26500 e ER34615.

Células menores são úteis quando o espaço na placa de circuito impresso (PCB) e as dimensões do produto são limitadas, enquanto células maiores, como a ER26500 e a ER34615, fornecem significativamente mais energia para aplicações que exigem maior duração de serviço.

Contudo, a capacidade de energia é apenas uma parte do projeto do sistema de alimentação.

Por que adicionar um capacitor de íon-lítio?

Um capacitor de íon-lítio, ou LIC, é utilizado como componente de suporte de alta potência.

Num sistema híbrido de alimentação devidamente projetado, a bateria ER fornece a energia de longo prazo exigida pelo dispositivo, enquanto o LIC ajuda a suportar curtos períodos de demanda elevada de corrente.

Uma forma simples de compreender essa relação é:

Bateria ER = Energia de Longa Duração

LIC = Potência de Pulsos de Curta Duração

Durante a operação normal em modo de espera, a bateria ER suporta a baixa corrente de fundo.

Quando o dispositivo é ativado e o módulo sem fio começa a transmitir, a LIC pode ajudar a fornecer a corrente de pulso adicional exigida pela carga.

Após o evento de transmissão, o sistema retorna ao seu estado de baixo consumo energético.

Essa arquitetura pode ajudar a melhorar a estabilidade de tensão durante eventos de alta corrente e reduzir a tensão elétrica aplicada diretamente à bateria principal.

Por que não usar apenas uma bateria Li-SOCl2?

As baterias Li-SOCl2 são particularmente atraentes para aplicações que exigem longa vida útil, devido à sua baixa autodescarga e alta densidade energética.

No entanto, muitas células ER de alta capacidade são otimizadas principalmente para descarga contínua de longa duração e baixa corrente.

Outra característica da química Li-SOCl2 é a passivação.

Durante o armazenamento e a operação com baixa corrente, forma-se uma camada protetora na superfície de lítio. Essa camada contribui para as excelentes características de armazenamento e para a baixa autodescarga da bateria.

No entanto, sob determinadas condições de operação, especialmente após um longo período de armazenamento, um aumento súbito na carga pode causar uma queda temporária de tensão.

Para um circuito simples de baixa potência, isso pode não ser importante.

Para um módulo de comunicação IoT, contudo, a queda temporária de tensão pode ser crítica.

Se a tensão do sistema cair abaixo da tensão mínima de operação do modem, da MCU ou do circuito RF, o dispositivo pode reiniciar, falhar ao se registrar na rede ou perder uma transmissão de dados.

A adição de um LIC adequadamente selecionado pode ajudar a fornecer a corrente de curta duração necessária durante esses eventos.

Seis configurações ER + LIC para diferentes requisitos IoT

Diferentes produtos IoT exigem combinações distintas de capacidade energética, capacidade de pulso e dimensões físicas.

A Cowon oferece múltiplas configurações ER + LIC para cobrir diferentes requisitos de aplicação.

ER10450 + LIC0813

Essa combinação compacta é adequada para produtos IoT miniatura, onde o espaço na placa de circuito impresso (PCB) e o tamanho da bateria são considerações importantes.

As aplicações típicas podem incluir:

• sensores sem fio compactos,

• dispositivos pequenos de monitoramento,

• transmissores de baixo ciclo de trabalho,

• dispositivos pequenos de rastreamento,

• eletrônicos utilitários compactos.

É particularmente adequada quando o sistema requer uma bateria primária pequena, mas ainda se beneficia de suporte adicional para pulsos.

ER14250 + LIC0820

O ER14250 é um tamanho comum e compacto de Li-SOCl2 usado em eletrônicos industriais e produtos de sensores inteligentes.

Quando combinado com o LIC0820, fornece um equilíbrio útil entre dimensões compactas, operação de espera prolongada e comunicação sem fio periódica.

Aplicações potenciais incluem:

• sensores inteligentes,

• medidores de utilidade compactos,

• dispositivos de segurança,

• nós de monitoramento remoto,

• dispositivos RF de baixa potência.

ER14505 + LIC1020

O ER14505 oferece maior capacidade energética mantendo um formato familiar do tamanho AA.

Em combinação com o LIC1020, esta configuração pode ser considerada para produtos IoT que exigem um período operacional mais longo ou uma demanda de comunicação maior do que sistemas de baterias menores.

As aplicações típicas podem incluir:

• medidores inteligentes de água,

• medidores de gás,

• dispositivos de rastreamento de ativos,

• Nós LoRa e LoRaWAN,

• Sensores NB-IoT,

• sistemas de monitoramento industrial.

ER26500 + LIC1320

À medida que os requisitos energéticos aumentam, o ER26500 torna-se uma opção atraente para sistemas industriais IoT de longa duração.

A bateria maior fornece consideravelmente mais energia disponível do que as células ER compactas, enquanto o LIC1320 suporta o sistema durante comunicações ou outros eventos de carga de pico.

Aplicações potenciais incluem:

• Dispositivos de monitoramento NB-IoT,

• unidades de telemetria remota,

• sensores industriais,

• equipamentos de medição inteligente,

• ioT agrícola,

• monitoramento ambiental,

• monitoramento de infraestrutura.

Esse tipo de combinação é particularmente útil para dispositivos projetados para permanecer em campo por longos períodos sem substituição frequente da bateria.

ER34615 + LIC1620

ER34615 é uma bateria Li-SOCl2 de tamanho D comumente selecionada quando longa vida útil e alta energia total são importantes.

Acoplada à LIC1620, pode suportar aplicações exigentes de IoT que combinam consumo em espera muito baixo com comunicação periódica de alta corrente.

Aplicações potenciais incluem:

• medidores inteligentes de longa duração,

• sistemas de monitoramento remoto,

• telemetria industrial,

• GPS e rastreamento de ativos,

• monitoramento de dutos,

• equipamento IoT para exterior,

• sensores com ligação celular.

ER34615 + LIC1840

Para aplicações com elevadas exigências energéticas e cargas de impulso mais exigentes, a combinação ER34615 + LIC1840 oferece outra opção.

O supercondensador LIC maior pode ser considerado quando o sistema de comunicação sem fios ou a arquitetura do dispositivo exigir suporte mais robusto para impulsos.

As aplicações típicas podem incluir:

• dispositivos NB-IoT de alta potência,

• Terminais de comunicação LTE-M,

• monitorização industrial remota,

• dispositivos de rastreamento,

• infraestrutura inteligente,

• equipamentos de serviços públicos,

• sistemas conectados externos.

A combinação exata de bateria e LIC deve sempre ser selecionada de acordo com o perfil elétrico real do dispositivo, em vez de apenas com base no nome da aplicação.

Como Selecionar a Combinação Certa de ER + LIC

Não existe uma única combinação de bateria ideal para todas as aplicações IoT.

Uma solução de energia confiável começa com a compreensão do perfil de carga real.

Antes de selecionar uma bateria ER e um LIC, os engenheiros devem avaliar os seguintes parâmetros.

1. Corrente de Espera

Quanta corrente o dispositivo consome enquanto está em modo de espera?

Como os dispositivos IoT podem passar a maior parte de sua vida útil em modo de espera, até mesmo uma pequena alteração na corrente de sono pode ter um efeito significativo na vida útil total da bateria.

2. Corrente de Pico

Qual é a corrente máxima exigida quando o modem, rádio, motor, válvula ou outra carga é ativado?

Este é um dos parâmetros mais importantes ao selecionar o LIC.

3. Duração do pulso

Um pulso curto que dura alguns milissegundos é muito diferente de uma carga que permanece alta por vários segundos.

A corrente de pico e a duração do pulso devem, portanto, ser consideradas em conjunto.

4. Frequência de transmissão

Com que frequência o dispositivo se comunica?

Uma vez por dia?

Uma vez por hora?

A cada poucos minutos?

Um dispositivo que transmite com frequência pode impor exigências muito diferentes ao sistema de baterias, comparado a um dispositivo que envia um único pacote curto por dia.

5. Tensão mínima de operação

Todo sistema eletrônico possui uma tensão mínima abaixo da qual não se pode garantir uma operação confiável.

A solução de alimentação deve manter uma tensão suficiente durante a condição de carga mais elevada.

6. Temperatura de operação

A temperatura afeta o desempenho da bateria, o comportamento de pulsos, a resistência interna e a capacidade utilizável.

Dispositivos IoT para ambientes externos e industriais podem enfrentar condições muito distintas das encontradas em equipamentos eletrônicos para ambientes internos.

7. Vida útil exigida

Um projeto com vida útil de cinco anos e outro com vida útil de quinze anos não devem, automaticamente, utilizar a mesma bateria.

A vida útil esperada deve ser avaliada em conjunto com a corrente de espera, a frequência de transmissão, a autodescarga e as condições ambientais.

8. Espaço Disponível para Instalação

A solução elétrica ideal deve ainda caber dentro do dispositivo.

É por isso que várias combinações — desde ER10450 + LIC0813 até ER34615 + LIC1840 — são úteis.

Um LIC aumenta a capacidade Ah da bateria?

Essa é uma distinção importante.

Normalmente, um LIC não é acrescentado principalmente para aumentar a capacidade nominal Ah da bateria ER.

O objetivo principal é melhorar a entrega de potência em curtos períodos.

A bateria ER permanece a fonte primária de energia a longo prazo.

O LIC atua como um buffer de potência durante eventos de carga pulsada.

Portanto, ao calcular a vida útil esperada, os engenheiros devem ainda avaliar a capacidade utilizável da bateria ER juntamente com todo o ciclo de operação do dispositivo.

Bateria ER + LIC versus Bateria de Alta Taxa

Existem diversas maneiras de alimentar um dispositivo IoT de alta potência pulsada.

Uma opção é utilizar uma química de bateria ou uma construção de célula especificamente projetada para correntes contínuas e pulsadas mais elevadas.

Outra opção é combinar uma célula Li-SOCl2 de alta energia com um componente de suporte pulsado, como um LIC.

A escolha correta depende da aplicação.

Uma arquitetura ER + LIC pode ser particularmente atraente quando o sistema necessita:

• autodescarga muito baixa,

• longa vida em modo de espera,

• alta energia total,

• e apenas pulsos periódicos de alta corrente.

Em vez de otimizar toda a bateria em torno de um breve evento de comunicação, o sistema separa a exigência de energia da exigência de potência.

Aplicações típicas para sistemas de energia ER + LIC

Este tipo de arquitetura híbrida de energia pode ser considerado para muitos produtos conectados alimentados por bateria, incluindo:

Medição Inteligente

• Medidores inteligentes de água

• Medidores inteligentes de gás

• Medidores Elétricos Inteligentes

• Medidores de calor

Internet das Coisas sem fio

• Sensores NB-IoT

• Dispositivos LTE-M

• Nós LoRaWAN

• Equipamentos de comunicação RF

Rastreamento

• Rastreadores GPS

• Dispositivos de rastreamento de ativos

• Dispositivos de monitoramento logístico

• Faróis de localização remota

Internet das Coisas Industrial

• Sensores industriais

• Equipamentos de monitoramento remoto

• Monitoramento de Oleodutos

• Monitoramento de infraestrutura

• Sistemas de segurança e alarme

Monitoramento ambiental e agrícola

• Sensores meteorológicos

• Equipamentos de monitoramento do solo

• Dispositivos IoT agrícolas

• Registradores de dados ambientais

Por que o Perfil Completo de Carga é Importante

Escolher a bateria IoT correta não é simplesmente uma questão de selecionar a maior capacidade possível.

Por exemplo, dois dispositivos podem usar ambos a comunicação NB-IoT, mas ter requisitos de energia completamente diferentes.

O Dispositivo A pode transmitir uma breve mensagem a cada 24 horas.

O Dispositivo B pode transmitir a cada 15 minutos e realizar frequentes registros na rede.

Mesmo que ambos os produtos usem a mesma tecnologia de comunicação, seus requisitos de bateria podem ser muito distintos.

Por essa razão, as informações mais úteis a fornecer ao solicitar uma solução de alimentação incluem:

• corrente de operação normal,

• corrente em modo de espera,

• corrente de pico máxima,

• duração do pulso,

• frequência de comunicação,

• tensão mínima de operação,

• faixa de temperatura ambiental,

• vida útil pretendida,

• e dimensões disponíveis da bateria.

Com essas informações, pode-se avaliar uma combinação mais adequada de bateria ER e condensador eletroquímico (LIC).

Uma plataforma de energia escalável para dispositivos IoT

A gama que vai de ER10450 + LIC0813 até ER34615 + LIC1840 cria uma plataforma escalável para diferentes tamanhos de produtos IoT e requisitos de potência.

Combinações menores podem suportar sensores conectados compactos, onde o espaço disponível para instalação é limitado.

Configurações de médio porte podem atender medidores inteligentes, rastreamento e sensores sem fio em geral.

Combinações maiores podem suportar dispositivos industriais remotos que exigem tanto longa vida útil quanto melhor desempenho em pulsos.

Em vez de tratar a bateria como um componente autônomo, os desenvolvedores de IoT podem avaliar toda a arquitetura de energia com base no ciclo de trabalho real do dispositivo.

Conclusão

Dispositivos modernos de IoT exigem mais do que simplesmente uma bateria com grande capacidade.

Muitas vezes, exigem um sistema de energia capaz de fornecer corrente muito baixa com eficiência por meses ou anos, mantendo ainda suporte a curtos períodos de corrente muito mais alta durante a comunicação.

Combinar uma bateria ER de Li-SOCl₂ com um capacitor de íon-lítio constitui uma forma prática de atender a ambas as exigências.

A bateria ER fornece energia de longo prazo.

O LIC fornece suporte à potência de pulso.

Desde combinações compactas tais como ER10450 + LIC0813 até sistemas de maior energia tais como ER34615 + LIC1840 , a solução adequada depende da corrente de espera real do dispositivo, da corrente de pulso, da duração do pulso, da frequência de comunicação, da temperatura e da vida útil exigida.

Para a seleção de baterias em IoT, a pergunta mais importante, portanto, não é simplesmente:

«Qual bateria tem a maior capacidade?»

Uma pergunta melhor é:

«Qual combinação de potência corresponde melhor ao perfil real de operação do dispositivo?»

A Cowon pode suportar configurações personalizadas de baterias ER + LIC para diferentes aplicações IoT, medição inteligente, rastreamento e industriais, com base nos requisitos elétricos e mecânicos do cliente.